DE3917343A1 - Schleifringloser klauenpol-generator - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem schleifringlosen
Klauenpol-Generator nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Solche Klauenpol-Generatoren sind in vielfacher Aus
führung bekannt, wobei die sogenannten Leitstückläufer-
Generatoren, auf die sich die Erfindung speziell be
zieht, eine Sonderbauform von Klauenpol-Generatoren
darstellen, bei denen nur die Klauenpole rotieren,
während die Erregerwicklung mit ringförmigen Leit
stücken für den Magnetfluß feststeht. Es ist daher
bei einem bekannten Leitstückläufer-Generator dieser
Bauart (Bosch "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch",VDI-
Verlag GmbH Düsseldorf, 19. Aufl., Seiten 434/435)
bekannt, die Erregerwicklung direkt vom Gleichrich
ter über den Regler mit Strom zu versorgen, da wegen
der stationären Erregerwicklung Schleifringe und
Schleifkontakte nicht erforderlich sind. Hierdurch
ergibt sich eine längere Lebensdauer des Generators,
allerdings mit dem Nachteil, daß ein höheres Gewicht
im Vergleich zu leistungsgleichen Klauenpol-Generato
ren in Kauf genommen werden muß, weil der magnetische
Fluß über zwei weitere Luftspalte, zusätzlich zum Ar
beitsluftspalt, übertragen werden muß. Neben dem er
höhten Gewicht ist daher auch bei vergleichbarer Lei
stung die Baulänge größer und der Erregerbedarf hö
her, wobei bei gleichen Abmessungen der bekannten Leit
stückläufer-Generatoren mit den sonstigen Klauenpol-
Generatoren eine geringere Leistung in Kauf zu nehmen
ist. Versuche, durch Kürzen der zusätzlichen Luft
spalte die Baulänge bei bekannten Leitstückläufer-
Generatoren zu verringern, führen zu einem noch höhe
ren Erregerstrombedarf, ohne daß es gelingt, hier
tatsächlich wirksam Abhilfe zu schaffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, bei einem schleifringlosen Leitstückläufer-
Generator zu einer wesentlichen Leistungssteigerung
zu kommen, ohne daß es hinsichtlich der Baulänge, des
Gewichts oder des Erregerbedarfs eines zusätzlichen
Einsatzes bedarf oder, was das gleiche ist, bei im
wesentlichen unveränderter Leistung eine entscheiden
de Reduzierung der Baulänge zu ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnen
den Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil,
daß durch eine konische oder treppenförmige Gestaltung
der zusätzlichen Luftspalte diese über den Raum zwi
schen der Feldwicklung und der antriebsseitigen Stirn
seite (A-seitige Stirnseite) unter bzw. über die Feld
wicklung hinaus geführt werden können, was einer groß
zügigeren Dimensionierung der Luftspaltflächen ent
spricht. Dies bedeutet einen geringeren Erregerbedarf
bzw. eine höhere Leistung bei einer erheblichen Redu
zierung der Baulänge, beispielsweise um bis zu 25%,
verglichen mit herkömmlichen schleifringlosen Genera
toren, und einer gleichzeitigen, hierdurch bedingten
Verringerung des Gewichts des Magnetsystems und damit
des Generatorgesamtgewichts.
Vorteilhaft ist ferner, daß infolge der teilweisen
Verlegung der zusätzlichen Luftspalte räumlich unter
und über die Feldwicklung die Platinestärke des Feld
wicklungsträgers nunmehr unter anderen Gesichtspunkten
dimensioniert werden kann, nämlich nach der möglichen
magnetischen Induktion im Eisen und weniger nach der
Luftspalt-Induktion; auch hierdurch ergeben sich Vor
teile hinsichtlich der Luftspaltflächen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maß
nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbes
serungen des im Hauptanspruch angegebenen schleifring
losen Klauenpol-Generators möglich. Besonders vorteil
haft ist hier die Ausbildung der zusätzlichen, nun
mehr wesentlich verlängerten Luftspalte durch einen
treppenförmigen Verlauf, wodurch die Fertigung eine
Vereinfachung erfährt im Hinblick auf die dann ledig
lich zu bearbeitenden Zylinder- und Planflächen und
hinsichtlich des Umstandes, daß in diesem Falle in
Kauf zu nehmende Längentoleranzen nicht in die Luft
spaltweite eingehen, sondern zwischen den Planflächen
ohne Einfluß auf die Weite der aktiven Luftspalte blei
ben.
Vorteilhaft ist ferner, die Ständermitte näher zur B-
Seite des Generatorsystems zu legen, so daß das
mechanisch schwächere A-seitige Leitstück mit höhe
rer Festikeit ausgeführt werden kann und genügend
Abstand zu den Polfingerspitzen des B-seitigen Leit
stücks erhält zur Vermeidung unnötigen Streuflusses.
Ferner ist vorteilhaft, daß bei einer bevorzugten Aus
gestaltung der äußere zusätzliche Luftspalt als Laby
rinth ausgeführt werden kann, wobei einander zuge
wandte Zylinderflächen den aktiven Luftspalt bilden.
Durch eine solche labyrinthartige Ausbildung läßt sich
das A-seitige Leitstück aus einer möglichen Überdeckung
der Feldwicklung herausnehmen, so daß der Feldwick
lungsträger ungeteilt gedreht und bewickelt werden
kann und dieser äußere zusätzliche Luftspalt gebildet
ist von den komplementär zueinander ausgebildeten la
byrinthartigen Formen des in diesem Bereich nach außen
hochgezogenen Feldwicklungsträgers und der A-seitigen
Klauenwurzel des Läufers.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden in der nach
folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in einer detaillierten Schnittdarstellung eine
mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäß
ausgebildeten schleifringlosen Klauenpol-Gene
rators, wobei die mit Bezug auf die Längsachse
obere Hälfte die konventionelle Bauart nach
dem bekannten Stand der Technik darstellt, wäh
rend die untere Hälfte nach den Grundzügen
vorliegender Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 2 zeigt stark schematisiert und lediglich im Aus
schnitt eine mögliche weitere Ausführungsform
einer treppenartig abgestuften Luftspalt-Ge
staltung, während die
Fig. 3-5 ebenfalls schematisiert und lediglich im Aus
schnitt äußere Luftspaltformen zeigen, die die
einstückige Herstellung des Feldwicklungsträ
gers und dessen problemlose Bewicklung ermög
lichen.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin,
bei einem schleifringlosen Generator mit Leitstückläu
fer als Sonderform eines Klauenpol-Generators die ne
ben dem Arbeitsluftspalt notwendigen beiden zusätz
löichen Luftspalte aus ihrer bisherigen Position im
Raum zwischen Feldwicklung und der einen Stirnseite
(A.-seitige Stirnseite) des Drehstromgenerators her
auszunehmen und bis über bzw. unter die Feldwicklung
hinwegzuführen und gleichzeitig bei dann zu realisie
render Schrägstellung zur Generatorlängsachse die Luft
spalte konus- oder treppenförmig verlaufend auszubilden.
Im folgenden wird anhand der Darstellung der Fig. 1
zunächst auch auf die grundsätzliche und insoweit be
kannte Struktur eines Leitstückläufergenerators einge
gangen, da sich die wesentlichen Vorteile hinsichtlich
Verbesserung der Leistungsabgabe und/oder Gewichtsver
minderung und/oder Verkürzung der Baulänge nur dann in
überzeugender Weise darstellen lassen, wenn man entspre
chende Vergleiche mit Leitstückläufergeneratoren nach
dem Stand der Technik zieht. Diese Vergleiche umfassen
im folgenden auch noch vorgelegte Berechnungen.
Der Leitstückläufer-Generator 10 der Fig. 1 umfaßt ein
A-Lagerschild 11 und ein B-Lagerschild 12, wobei es sich
entsprechend der hier gewählten Nomenklatur bei dem A-
Lagerschild (auf der A-Seite befindlich) um das an
triebsseitige Lagerschild und bei dem B-Lagerschild
um das bürstenhalterseitige Lagerschild auf der B-Seite
handelt, was bei der hier dargestellten Ausführungsform
eines Drehstromgenerators insofern natürlich nicht zu
treffen kann, weil es sich um ein schleifringloses
System handelt. Die Bezeichnungen sollen dennoch zum
besseren Verständnis beibehalten werden, wobei die bei
den Lagerschilde 11 und 12 über einen Zwischenring 13
zusammengefügt sind, mit jeweils aufeinander zu gerich
teten Einpässen und beide Gehäuseteile miteinander ver
bindenden Spannschrauben 14. In diesem Beispiel ist der
Feldwicklungsträger am A-seitigen Lagerschild 11 mon
tiert. Es ist natürlich ebensogut möglich, den Feld
wicklungsträger auf der B-Seite zu befestigen, wobei
im Inneren A- und B-Seite die Plätze tauschen.
A-Lagerschild 11 und B-Lagerschild 12 sind vorzugsweise
topfförmig ausgebildet und nehmen die beidseitigen La
ger 14 und 15 für die Leitstückläuferwelle 16 auf. Das
Ständerpaket 17 mit der üblicherweise dreiphasigen
Drehstrom-Ständerwicklung 18 ist, beispielsweise im
Schrumpfsitz, in der Darstellung der Fig. 1 vom Zwi
schenring 13 gehalten. Das Ständerpaket bildet mit den
Klauenpolen des Leitstückläufers einen ersten Arbeits
luftspalt I, wobei der Leitstückläufer 19 den einzig um
laufenden Teil des Drehstromgenerators bildet. Da ein
Leitstückläufergenerator eine Sonderform eines Klauenpol-
Generators ist, umfaßt der Leitstückläufer 19 auch hier
klauenförmig ineinandergreifende Pole, die so ausgebildet
sind, daß sich die Einwirkung eines wechselnden Magnet
flusses auf die stationäre Ständerwicklung 18 ergibt.
Eine der Polhälften des Leitstückläufers, in diesem Fall
auf der B-Seite, ist topfförmig ausgebildet und verfügt
entweder über einen eine Nabe bildenden Boden 20 oder
einen Schrumpfsitz, mit welchem der Leitstückläufer 19
auf der ihn tragenden Welle 16 befestigt ist.
Zum besseren Verständnis sind die B-seitigen Klauen,
die also ihre Klauenwurzel auf der B-Seite des Genera
tors haben, mit 19 a bezeichnet - sie sind in der Dar
stellung der Fig. 1 in dick durchgezogenen Linien dar
gestellt, während die A-seitigen Klauen im Bereich der
Ständerbohrung lediglich durch die gestrichelte Linie
19 b kenntlich gemacht sind. Die Feldwicklungsspule ist
mit 21 bezeichnet und ist getragen von einem stationär
am A-Lagerschild 11 befestigten Feldwicklungsträger 22,
wobei in der Schnittdarstellung der Fig. 1 noch die elek
trische Zuleitung 23 zur Speisung der Feldwicklung und
der Anschlußbereich 24 dargestellt ist.
Befestigt am B-seitigen Lagerschild ist eine Gleichrich
terdiodenträgerplatte 25, wobei eine Gleichrichterdiode
bei 26 gezeigt ist; der Regler trägt das Bezugszeichen
27 und befindet sich innerhalb einer eigenen, ihn
schützenden Gehäuseausformung 28. Genauer braucht auf
den insoweit bekannten Grundaufbau eines Leitstück
läufer-Generators nicht eingegangen zu werden, da bei
spielsweise auf das schon erwähnte Kraftfahrtechnische
Taschenbuch, Bosch, 19. Aufl., die Seiten 434/435 ver
wiesen werden kann.
In Fig. 1 sind die beiden weiteren erforderlichen Luft
spalte mit II und III bezeichnet; der Luftspalt II be
steht zwischen einem A-seitigen, mit dem Läufer rotie
renden Leitstück 29 und der zugewandten Fläche des Feld
wicklungsträgers, während der insofern innere weitere
Luftspalt III zwischen dem gleichen Feldwicklungsträger
und dem nabenförmigen Teil des B-seitigen Leitstücks 30
bzw. der Welle gebildet ist. Die beiden weiteren Luft
spalte II und III liegen sich daher gegenüber. Bei die
ser zum Stand der Technik gehörenden, zunächst beschrie
benen Bauart reicht der magnetisch wirksame Bereich von
der A-seitigen Stirnseite lediglich bis zu der Stelle,
wo die Feldwicklung 29 auf dem Feldwicklungsträger 22
beginnt, da der Feldwicklungsträger im Bereich C die
Form eines dünnen Rohres hat, das keinen nennenswerten
Magnetfluß in axialer Richtung führen kann. Der gesamte
Magnetfluß muß daher im Bereich D übertreten. Zwischen
der Feldwicklung 21 und den zugewandten inneren Klauen
ringflächen befindet sich noch ein unmagnetischer Ring
31, der die Klauen 19 a und 19 b mechanisch verbindet.
Der Erfindung gelingt nunmehr eine Relativierung bzw.
Beseitigung der durch die beiden weiteren Luftspalte
hinsichtlich Baulänge, Gewicht und Erregerbedarf bei
geringerer Leistung verursachten Probleme, indem diese
Luftspalte verlängert werden, was mindestens mit Bezug
auf den inneren Luftspalt III bedeutet, daß dieser
eine konische oder stufenförmige Gestaltung annimmt,
so daß er nunmehr allgemein schräg zur Generator
längsachse verläuft und in Fig. 1 mit dem Bezugszei
chen III′ versehen ist. In gleicher Weise kann der
äußere Luftspalt zur Generatorlängsachse schräg verlegt
werden bei konischer Gestaltung und ist in Fig. 1 daher,
die untere Bildhälfte betreffend, mit II′ bezeichnet.
Dabei ergibt sich ein weiteres wesentliches Merkmal
dadurch, daß diese beiden Luftspalte nicht mehr auf
den Raum zwischen der Feldwicklung 21 und der A-seiti
gen Stirnseite angewiesen sind, sondern sie können
nunmehr über bzw. unter der Feldwicklung 21 hinweg
geführt werden, bei einer entsprechenden Formänderung
des nunmehr mit 22′ bezeichneten Feldwicklungsträgers
und entsprechend angepaßten, komplementären Änderun
gen des A-seitigen Leitstücks 29′ bzw. des B-seitigen
Leitstücks 30′.
Aufgrund der konischen, also nunmehr im Winkel zur
Generatorlängsachse verlaufenden Gestaltung der Luft
spalte sind diese nunmehr länger ausführbar bzw. auf größerer
Länge wirksam, wobei sich, wenn man zunächst von beibehaltenen Längen
abmessungen des Generatorsystems ausgeht, eine erheb
liche Vergrößerung der Feldwicklung in axialer Rich
tung ergibt, da diese, nunmehr mit dem Bezugszeichen
21′ versehen, um ein axiales Längsstück 21 a′ vergrö
ßert werden kann und in den sich zur A-Seite in seinen
Ringabmessungen stark verdickenden Feldwicklungsträger
22′ hineinreicht.
Durch diese Gestaltungsänderung der beiden weiteren
Luftspalte entsprechend der ersten in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform bei II′ und III′ ergeben sich zwei
unterschiedliche Gesichtspunkte, die darin bestehen,
daß
- - man entweder bei im wesentlichen beibehaltener gleicher Leistung einer bis zu 25% geringeren Baulänge und entsprechend einem geringeren Ge wicht des Magnetsystems den Vorzug gibt oder
- - die Erfindung in der konischen Luftspaltkonfigu ration zur Leistungssteigerung einsetzt.
Dementsprechend ergeben sich dann, wie im nachfolgen
den genauer ausgeführt, unterschiedliche Berechnungs
grundlagen, mit denen sich die entscheidenden Verbes
serungen in den Generatordaten nachweisen lassen, wobei
in den folgenden Berechnungen beide Möglichkeiten be
rücksichtigt sind.
Um die durch die Erfindung ermöglichten Vorteile ge
genüber dem bekannten Stand der Technik rechnerisch
belegen zu können, wird im folgenden zunächst eine
Betrachtung des bekannten Stands der Technik vorge
nommen. Hierzu sind die folgenden Dimensionsangaben
erforderlich, wobei als Vergleichsgerät der Leit
stückläufer-Generator der Anmelderin mit der Be
zeichnung N 3-28V15/50A, 0 12 24 69 002 zugrunde gelegt
ist, wie ja auch der Darstellung der Fig. 1 entnommen
werden kann:
Wickelraumlänge C der Feldwicklung; wirksame Länge des Luft spalts III=D; Durchmesser des Luftspalts III=E; Dicke des Luftspalts = δ; Länge des Luftspalts II=F; Durchmesser des Luftspalts II=G.
Wickelraumlänge C der Feldwicklung; wirksame Länge des Luft spalts III=D; Durchmesser des Luftspalts III=E; Dicke des Luftspalts = δ; Länge des Luftspalts II=F; Durchmesser des Luftspalts II=G.
Mit diesen Angaben, die bei der nachfolgenden Berech
nung durch numerische Zahlenwerte, wie sie sich am
realen Objekt ergeben, ersetzt werden, läßt sich bei
spielsweise die magnetische Gesamtspannung über den
beiden zusätzlichen Luftspalten II und III berechnen,
wenn man ferner noch die folgenden Angaben zugrunde
legt:
Die Feldwicklung verfügt bei einem Drahtdurchmesser von 0,63 mm über 700 Windungen mit einem Kaltwider stand von 8,0 ... 8,8 Ohm.
Die Feldwicklung verfügt bei einem Drahtdurchmesser von 0,63 mm über 700 Windungen mit einem Kaltwider stand von 8,0 ... 8,8 Ohm.
Ferner ergibt sich bei dem bekannten Gerät der Feld
strom bei 26,5 V im Beharrungszustand zu etwa 2,45 A.
Hieraus ergibt sich eine Gesamtdurchflutung von:
2,45 · 700 = 1715 A, bei einem magnetischen Fluß im Leerlauf von:
Φ = 3,34 · 10-3 Wb. (Wb = Weber = Einheit des magn. Flusses).
2,45 · 700 = 1715 A, bei einem magnetischen Fluß im Leerlauf von:
Φ = 3,34 · 10-3 Wb. (Wb = Weber = Einheit des magn. Flusses).
Die numerischen Werte für die Luftspaltabmessungen
betragen beim Luftspalt III Länge D = 32 mm; Durch
messer E = 50 mm und Luftspalt δ = 0,33 mm.
Hieraus ergibt sich die Fläche des Luftspaltes III
32 · 50 · π · 10-6 = 5,0265 · 10-3 m2.
Die Luftspaltinduktion beträgt
bei einer Luftspalt-Feldstärke
Die magnetische Spannung im Luftspalt III beträgt demnach
V III = H L · δ = 5,286 · 10⁵ · 0,33 · 10-3 = 174 A.
Beim Luftspalt II ergibt sich die entsprechende Fläche
zu
F = 24 · 76 · π · 10-6 = 5,73 · 10-3 m²,
bei einer Luftspalt-Induktion von
und einer Luftspalt-Feldstärke H L II
und einer entsprechenden magnetischen Spannung im Luftspalt
II zu
V II = H L · δ = 4,64 ·10⁵ · 0,33 · 10-3 = 153 A.
Die magnetische Gesamtspannung über beiden Luftspal
ten beträgt daher
174 A+153 A = 327 A. Diese Angaben betreffen sämtlich das
bekannte Gerät als Vergleichsobjekt.
Die sich hieran anschließende Berechnung geht zu
nächst von der einen Alternative eines Generators mit
konischen Luftspalten aus, der zur Leistungssteigerung
bei sonstiger Beibehaltung der entsprechend Fig. 1
gegebenen Abmessungen eingesetzt wird, wobei sich ledig
lich die Wickelraumlänge von bisher C = 37 auf C′ =
54 mm vergrößert, bei unveränderter Baulänge und un
verändertem Magnetfluß.
Für die Berechnung des Luftspaltes III′ wird eine For
mel für den Kegelstumpf benötigt, die aus dem weiter
vorn schon erwähnten Bosch "Kraftfahrtechnisches Ta
schenbuch", 19. Aufl., auf Seite 49 entnommen werden
kann. Die Luftspaltdaten betragen in diesem Fall:
größerer Durchmesser E = 50 mm (wie bei dem Luftspalt
III), während der kleinere Durchmesser d wegen des
Schrägverlaufs der konischen Luftspaltgestaltung
30 mm beträgt. Die Höhe des Kegelstumpfes für die Luft
spaltberechnung III′ ergibt sich aus der Summe der
Wickelraumlänge C und der ursprünglichen Länge D des
Luftspaltes III zu 32 mm + 37 mm = 69 mm = H. Ohne
aus Übersichtlichkeitsgründen noch genauer auf den
Wert einer Größe s einzugehen, die für die Kegel
stumpfflächenberechnung erforderlich ist und sich aus
den erwähnten Größen ergibt, ergibt sich die tatsäch
liche Fläche des Kegelstumpfes zu
M = 8761 mm² = 8,76 · 10-3 m²
mit einer entsprechenden Luftspalt-Induktion von
und
einer Luftspalt-Feldstärke von
bei einer magnetischen Spannung im Luftspalt III′ von
V III′ = H L · δ = 3,033 · 10⁵ · 0,33 · 10-3 = 100 A.
Für den Luftspalt II′ gilt entsprechend bei einem klei
nen Durchmesser von d = 80 mm, einem großen Durchmes
ser von D = 95 mm und einer Höhe von H = 35 mm eine
Flächenangabe von
M = 9839,5 mm² = 9,84 · 10-3 m²
mit einer Luftspalt-Induktion von
einer entsprechenden Luftspalt-Feldstärke von
und
einer magnetischen Spannung im Luftspalt II′ von
V II′ = H L · δ = 2,7 · 10⁵ = 0,33 · 10-3 = 89 A.
Die magnetische Gesamtspannung über den beiden ent
sprechend vorliegender Erfindung modifizierten Luft
spalten beträgt daher lediglich noch
V III′ + V II′ = 100 + 89 = 189 A.
Dies bedeutet eine Reduzierung der magnetischen Span
nung um 138 A, während eine neue Durchflutung bei glei
chem Widerstand von
möglich ist, d.h. eine um 357 A höhere Durchflutung.
Der Gesamtgewinn an Erregung ergibt sich damit zu
138A + 357 A = 495 A.
Das bedeutet, daß sich der maximale Laststrom eines sol
chen Generators von jetzt ca. 55 A wie folgt steigert:
und der Nennstrom kann von 50 A auf 65 A angehoben
werden bei gleicher Ständerwicklungs-Auslegung.
Betrachtet man den sich durch die Erfindung gegebenen
Sachverhalt im Gegensatz hierzu unter dem Gesichts
punkt einer Baulängenreduzierung, dann bleiben Abmes
sungen der Feldspule, die Durchflutung und der Mag
netfluß unverändert. Der zusätzliche axiale Teilbe
reich 21 a′ der Feldspule entfällt also, und es ergibt
sich nunmehr eine neue, mögliche Konfiguration eines
solchen Leitstückläufer-Generators mit einem in Fig. 1
mit H angegebenen Gewinn an verringerter Baulänge, so
daß die Höhe des Luftspaltkegels lediglich noch bei
K liegt. Die in diesem Fall realisierten Luftspalt
verläufe (bei verringerter Baulänge) sind in Fig. 1
lediglich noch durch gestrichelte Linienführung an
gedeutet und mit II′′ und III′′ bezeichnet.
In diesem Fall belaufen sich die Dimensionsangaben
für den Luftspalt III′′ zu: kleiner Durchmesser d =
30 mm; großer Durchmesser D = 50 mm; Höhe des Ke
gelstumpfes K = 52 mm bei Luftspaltbreite wie üb
lich δ = 0,33 mm.
Hieraus ergibt sich nach der Formel für den Kegel
stumpf eine Fläche von
M = 6654 mm² = 6,654 · 10-3 m²
mit einer entsprechenden Luftspalt-Induktion von
einer entsprechenden Luftspalt-Feldstärke
und einer daraus resultierenden magnetischen Spannung
im Luftspalt III′ zu
V III′′ = H L · δ = 3,994 · 10⁵ · 0,33 · 10-3 = 132 A.
Für den Luftspalt II′′ ergeben sich die Abmessungen
zu: kleiner Durchmesser d = 80 mm; großer Durchmesser
D = 95 mm und Höhe h = 25 mm, so daß sich eine Luft
spaltfläche in der üblichen Kegelstumpfberechnung von
M = 7175 mm² = 7,175 · 10-3 m²
bei einer Luftspalt-Induktion von
und einer Luftspalt-Feldstärke von
und schließlich einer magnetischen Spannung im Luftspalt II′′
zu
V II = H L · δ = 3,703 · 0,33 · 10-3 = 122 A
ergibt.
Die Gesamtspannung über beiden Luftspalten beträgt
demnach
V III′′ + V II′′ = 132 + 122 =254 A.
Dies entspricht einem Durchflutungsgewinn von 73 A
und einer Reduzierung der Baulänge um 17 mm, wodurch
sich eine Gewichtsersparnis von ca. 650 g ergibt.
Diese Vergleichsdaten zeigen eindrucksvoll die ent
scheidenden Vorteile und Verbesserungen auf, die sich
durch die erfindungsgemäße Gestalts- und Lageänderung
der zusätzlichen beiden Luftspalte bei einem Leit
stückläufer-Generator ergeben können, wobei in diesem
Zusammenhang als besonders vorteilhaft noch zu berück
sichtigen ist, daß durch die teilweise Verlegung der
Luftspalte unter und über den Bereich der Feldwicklung
nunmehr die Möglichkeit besteht, die Platinestärke
des Feldwicklungsträgers 22′ nur noch nach der mögli
chen magnetischen Induktion im Eisen auszurichten und
nicht mehr nach der Luftspalt-Induktion. Die Platinen
stärke kann daher gleich der Platinenstärke beispiels
weise des B-seitigen Leitstücks 30 gemacht werden mit
der soeben schon erkennbar gewordenen Möglichkeit
der großzügigeren Dimensionierung der Luftspalt
flächen.
Betrachtet man die entsprechend Fig. 1 konische Ge
staltung der Luftspalte II′, III′ bzw. II′′, III′′ trotz
der hierdurch möglichen magnetischen Vorteile als in
der Fertigung sowie bezüglich der Montage und der hier
durch hervorgerufenen Relativität der Luftspaltdicke
aufgrund axialer Fertigungstoleranzen als problematisch,
dann ist es entsprechend der Darstellung der Fig. 2
problemlos möglich, die bisher erläuterten und in
ihren Vorteilen hinreichend dargelegten Konusflächen
der Luftspalte durch Abtreppungen in der Luftspalt
form, also durch Treppenstufen anzunähern, wodurch
die magnetisch wirksame Luftspaltfläche sich nur ge
ringfügig verändert. Man erzielt hierdurch aber leicht
zu bearbeitende Zylinder- und Planflächen, wobei die
Zylinderflächen die aktiven Luftspalte bilden, wie
ohne weiteres zu erkennen und zwischen den Plan
flächen die Längentoleranzen ohne Einfluß auf die Brei
te der aktiven Luftspalte aufgefangen werden.
In der stark schematisierten Darstellung der Fig. 2
sind, wie auch in den sich anschließenden Fig. 3,
4 und 5 gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugs
zeichen versehen; auf der Läuferwelle 16 sitzt das
B-seitige Leitstück 30′, welches sich um die Feldwick
lung 21 nabenartig herum erstreckt und in dem an das
Statorpaket 17 angrenzenden Bereich in die Klauenpole
19 a′, 19 b′ übergeht, wobei sich das A-seitige Leit
stück 29 a′ als entsprechend komplementär abgetreppte
Klauenwurzel der A-seitigen Klaue 19 b′ darstellt.
Form und Ausbildung der einzelnen Stufen im abgetrepp
ten Verlauf der beiden Luftspalten,nämlich innerer
Luftspalt IIIa′ und äußerer Luftspalt IIa′ ist an
sich beliebig, wobei bei der Bemessung der Stufen auf
eine ungefähr gleichmäßige Flußaufteilung zu achten
ist. Die Abtreppungen folgen dabei dem allgemein schrä
gen Verlauf der Luftspalte II′ und III′ entsprechend
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, wobei ebenfalls
entweder auf höhere Leistung oder geringere Baulänge
bei dann im wesentlichen gleicher Leistung abgestellt
werden kann. Hierdurch ändern sich die Winkel, die
die Konus-Mantelflächen der Luftspalte zur Generator
längsachse einschließen, geringfügig.
Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 kann der er
heblich modifizierte Feldwicklungsträger 22 a′ entwe
der ungeteilt gefertigt werden, wobei aufgrund des
Umstandes, daß er mit einem oberen Teil 22 a′′, welches
an seiner Außenfläche die abgetreppte Ringform auf
weist, die Feldspule 21 teilweise übergreift, die Feld
spule sinnvollerweise vorgespult und dann in den vom
Feldspulenträger 22 a′ gebildeten Aufnahmebereich einge
schoben wird. Alternativ läßt sich aber die Feldwicklung
21 auf den Feldwicklungsträger 22 a′ auch aufwickeln, in
welchem Fall der obere Teil 22 a′′, wie durch die ge
strichelte Trennlinie angedeutet, separat hergestellt
und anschließend nach dem Wickeln der Feldspule in sei
ner Ringform auf die Grundform des Feldwicklungsträgers
22 a′ dann aufgeschrumpft oder aufgepreßt wird.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Ständer
mitte näher zur B-Seite zu legen, da so das durch den
konisch oder getreppt ausgeführten Luftspalt II mecha
nisch geschwächte A-seitige Leitstück 29 a′ mit höherer
Festigkeit ausgeführt werden kann und einen genügenden
Abstand von den Polfingerspitzen des B-seitigen Leit
stücks 30′ erhält, um unnötigen Streufluß zu vermeiden.
Im Bereich des äußeren zusätzlichen Luftspaltes II′ bzw.
II′a sind weitere vorteilhafte Modifikationen möglich,
wodurch sich ohne Verzicht auf die grundlegenden Vorteile
eine erhebliche Aufwandsreduzierung erzielen läßt. So
kann es, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt, sinn
voll sein, den äußeren Luftspalt allgemein in seinem
Verlauf nach Art eines Labyrinths auszubilden, wobei
einander zugewandte Zylinderflächen den aktiven Luft
spalt bilden.
Eine erste Ausführungsform eines solchen Labyrinth-
Luftspalts IIb′ ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Aus
führungsform ist das Labyrinth auf eine Ringnut 35 im
oberen Bereich 22 b′′ des Feldwicklungsträgers 22 b′
reduziert. Diese Ringnut 35 umfaßt die A-seitige
Klauenwurzel des Läufers, die in diesem Fall das A-sei
tige Leitstück 29 b′ bildet.
Die Labyrinth-Ausbildung des äußeren Luftspalts IIc′
kann auch entsprechend der Darstellung der Fig. 4 in
Form von Doppelringnuten erfolgen, wobei auch hier
wieder entsprechend komplementär ausgebildete Vor
sprünge 29 c′, 29 c′′ der A-seitigen Klauenwurzel als
A-seitiges Leitstück in die vom oberen Teil des Feldwick
lungsträgers 22 c′ gebildete Doppelringnut eingreift.
Schließlich ist es entsprechend der Darstellung der
Fig. 5 möglich, die eine Nut auch beidseitig abge
treppt auszuführen, so daß sich ein mäanderartig ver
laufender äußerer Luftspalt IId′ ergibt oder auch als Konus.
Allen diesen Ausführungsbeispielen der Fig. 3, 4
und 5 ist gemeinsam, daß die beliebig labyrinthartig
ausgebildete Luftspaltkonfiguration in Richtung auf
die A-Seite des Generators hinter die Feldwicklungsla
gerung zurückgenommen ist, so daß es problemlos möglich
ist, den Feldwicklungsträger in üblicher Weise ein
stückig herzustellen, also ungeteilt zu drehen, und
dennoch die Feldwicklung direkt auf den Feldwicklungs
träger aufzuwickeln.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen
und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander
erfindungswesentlich sein.
Claims (13)
1. Schleifringloser Generator, insbesondere Dreh
stromgenerator für mobile Einheiten wie Kraftfahr
zeuge, Busse, Bahnen u. dgl., mit einem klauen
polartig ausgebildeten Leitstückläufer, bei dem
bei feststehendem Innenpol mit stationärer Erre
gerwicklung zusätzlich zum Arbeitsluftspalt zwei
weitere Luftspalte durch ringförmige Leitstücke
gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß minde
stens der innere zusätzliche Luftspalt (III′,
III′′, IIIa′) zur Längsachse des Generators schräg
(konisch oder treppenförmig) verlaufend ausge
bildet ist und über den ursprünglichen Raum zwi
schen Feldwicklung (21) und A-seitiger Stirnseite
hinaus unter die Feldwicklung (21) geführt ist.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß beide zusätzlichen Luftspalte (II′, II′′,
IIa′, IIb′, IIc′; III′, III′′) schräg mit vorgege
benem Winkel zur Generatorlängsachse verlaufen,
wobei beide eine konische oder eine treppenartige
Form aufweisen oder einer der Luftspalte konisch
und der andere treppenartig verläuft.
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens der innere zusätzliche
Luftspalt (III′, III′′) vollständig bis zum B-sei
tigen Ende der Feldwicklung (21, 21′) magnetisch
wirksam geführt ist.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der äußere Luftspalt lediglich
über einen Teil der Feldwicklung (21, 21′) geführt
ist.
5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der äußere Luftspalt labyrinth
artig unter Freilassung der Feldwicklung mit allge
mein radialer Erstreckung verläuft.
6. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere zusätz
liche Luftspalt (III′, III′′) einerseits von dem Na
benteil des B-seitigen Leitstückes des Leitstück
läufers bzw. der Welle und andererseits von dem
komplementär angepaßten Verlauf des Feldwicklungs
trägers (22′, 22 a′, 22 b′, 22 c′, 22 d′) gebildet ist,
während der äußere Luftspalt (II′, II′′, IIa′, IIb′,
IIc′, IId′) von dem A-seitigen Leitstück (29′, 29 a′,
29 b′, 29 c′, 29 c′′) gebildet ist und ebenfalls von dem
komplementär angepaßten Verlauf des Feldwicklungs
trägers.
7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß durch die konus- oder treppen
förmige Schrägstellung der zusätzlichen Luftspalte
bei in etwa gleicher Leistung eine Verringerung
der Baulänge bzw. bei etwa gleichen Abmes
sungen in Verbindung mit einer vergrößerten Feld
wicklung eine höhere Leistungsausbeute ermög
licht, wobei sich die Ringform des Feldwicklungs
trägers (22′, 22 a′, 22 b′, 22 c′, 22 d′) bis zum
A-seitigen Befestigungsbereich zunehmend verdickt,
bei entsprechend komplementärem, allgemein kegel
stumpfförmigem Verlauf der auf der Läuferwelle
(16) befestigten Leistückläufernabe.
8. Generator nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß der labyrinthartig ausgebilde
te äußere Luftspalt (IIb′) von einer Ringnut (35)
im A-seitigen Leitstück (22 b′) gebildet ist, in
welche ein Ringvorsprung der A-seitigen Klauen
wurzel des Läufers hineinragt.
9. Generator nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß der labyrinthartige äußere
Luftspalt von einer Doppelnut/Vorsprungsanordnung
gebildet ist.
10. Generator nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß der labyrinthartige äußere
Luftspalt (IId′) von einer gestuften oder konusför
migen Nutenform gebildet ist.
11. Generator nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Zylin
derflächen des labyrinthartigen äußeren Luftspalts
(IIb′, IIc′, IId′) den aktiven Luftspalt bilden.
12. Generator nach einem oder mehreren der Ansprüche
1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die A- und B-
seitigen Leitstücke (29′, 30′, 30′′, 29 a′, 29 b′,
29 c′, 29 d′) Drehteile des mit Bezug auf das Ständer
paket klauenpolartig ausgebildeten Leitstück
läufers sind und mit diesem rotieren.
13. Generator nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß bei mit einem oberen Material
teil (22 a′′) die Ausnehmung für die Feldwicklung
übergreifenden Feldwicklungsträger (22 a′) dieser
aus zwei Teilen besteht, wobei das obere Material
teil (22 a′′) mit dem Feldwicklungs-Hauptträger
teil durch Aufpressen oder Schrumpfen verbunden
ist.
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