DE4209568A1 - Induktor-Alternatoren - Google Patents
Induktor-AlternatorenInfo
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- H02K19/16—Synchronous generators
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- H02K19/20—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
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Description
Diese Erfindung bezieht sich weitgehend auf Alternatoren, und insbesondere
Induktor-Alternatoren.
Bei traditionellen Alternatoren, d. h., Alternatoren der Nicht-Induktor-
Type, wie sie in Maschinen, wie z. B. Automobilen, angewendet
werden, sind entweder bewegliche Leiter, die ein stationäres magnetisches
Feld schneiden (Drehanker-Alternatoren), oder ein bewegliches
magnetisches Feld, welches über stationäre Leiter bewegt
wird (Drehfeld-Alternatoren), vorgesehen. In beiden dieser Fälle
wird eine elektromotorische Kraft (EMK) in den Leitern oder den Ankerwicklungen
erzeugt. Folglich schließen die herkömmlichen Alternatoren
ein Feld, einen Anker oder eine Ausgangswicklung ein.
In einem Drehanker-Alternator ist im wesentlichen ein stationäres
magnetisches Feld vorgesehen, üblicherweise durch den Strom in den
Feldspulen. Der als Rotor wirkende Anker dreht in dem magnetischen
Feld, und schneidet dadurch die Linien des Magnetflusses, wodurch
in den Ankerwicklungen eine EMK induziert wird, welche einen Strom
treibt. In einem Drehfeld-Alternator ist diese Anordnung umgekehrt.
Die Ankerwicklungen sind fest am Stator und das Feld wird im Rotor
erzeugt. Mit dem drehenden Rotor ändert sich der Fluß in den Ankerwicklungen,
und eine EMK wird an den im wesentlichen festen Ankerwicklungen
induziert. Allgemein benötigten herkömmliche Alternatoren
elektrische Verbindungen zwischen dem bewegten Rotor und der
feststehenden Struktur des Alternators. Im Falle von Drehfeld-Alternatoren
ist diese Verbindung notwendig zur Versorgung der Feldspulen
mit Strom zur Erzeugung des Magnetfelds: im Falle von Drehanker-
Alternatoren ist es erforderlich, den Ausgangsstrom zu tragen.
Die an sich gebräuchlichen Mittel zur Herstellung einer elektrischen
Verbindung mit dem Rotor in einem Alternator besteht in
der Anordnung von Bürsten an der feststehenden Struktur des Alternators,
die in Kontakt mit Schleifringen am Rotor gehalten werden.
Die Bürsten und Schleifringe haben eine Anzahl Nachteile: sie unterliegen
ständigem Verschleiß, erhöhen die Wartungserfordernisse
der Alternatoren; der Verschleiß und die Friktion führen zu häufigen
Ausfällen der Alternatoren; sie bilden oft einen limitierenden
Faktor für die Drehzahl der Alternatoren.
Bei den herkömmlichen Induktor-Alternatoren rotiert weder das Feld-
noch dieAusgangswicklung: beide, die Feldspulen (oder das permanentmagnetische
Material) und die Ausgangswicklungen sind am Stator
angebaut. Eine EMK wird in den Ausgangswicklungen durch periodische
Wechsel im Magnetfluß durch die Wicklungen induziert, hervorgerufen
durch entsprechende Wechsel in der Reluktanz im magnetischen Nebenstromkreis,
der den Magnetfluß durch die Wicklungen trägt. Die Reluktanz
wird bestimmt durch die Form des Rotors relativ zum Stator.
Wenn sich der Rotor bewegt, erzeugt er, beruhend auf oder gegeben
durch diese Form, Wechsel oder Pulsationen in der Reluktanz der lokalen
Nebenstromkreise des den Fluß tragenden Gesamt-Magnetkreises.
Der Rotor dient nur als ein Teil des Magnetkreises oder Kraftflußweges
des Alternators und trägt somit keine Spulen oder Wicklungen.
Folglich besteht hier nicht die Notwendigkeit elektrischer Verbindungen
mit dem Rotor, und damit sind solche Einrichtungen, wie Bürsten
und Schleifringe, eliminiert.
Generell können Induktor-Alternatoren in zwei Kategorien unterteilt
werden. Wenn die Richtung des Magnetflusses durch jede Sektion des
Rotors dieselbe bleibt, wenn der Rotor dreht, wird die Maschine als
Homopolar- oder Gleichpol-Induktor-Alternator bezeichnet. Wenn die
Richtung des Flusses in Sektionen des Rotors wechselt, wenn dieser
sich dreht, ist die Maschine ein Heteropol- oder Wechselpol-Induktor-
Alternator. Der derzeitige Stand der Technik, sofern er ermittelt
wurde, ist beispielsweise dargestellt durch Timing Devices in
US-PS 36 34 743, und Relays, wie in US-PS 30 36 248. Infolge Nichtvorhandenseins
eines analogen oder sachdienlichen Standes der Technik
sei auf Fachbücher, wie "Alternating Current Machines 3", von
M. G. Say (1976), "Electromagnetic Electromechanical Machines" von Leonard
W. Matsch (1977) und "Electrical Machines", von A. Draper (1967)
verwiesen. Wie in diesen Texten hervorgeht, sind die den Magnetfluß
im Alternator erzeugenden Feldspulen im Stator angrenzend den Statorkernen
angeordnet. Die Wechselstrom-Ausgangswicklungen sind an
den Statorkernen nächst dem jeweiligen Luftspalt zwischen desselben
und dem Rotor festgelegt. Wie in jedem Alternator, ist der Weg geringster
Reluktanz für den Magnetfluß durch den Rotor. Die Reluktanz
des Flußweges oder Magnetkreises spielt eine Rolle erster Ordnung
bezüglich der Größe oder Bemessung des Luftspalts zwischen dem
Stator und dem Rotor
(vorausgesetzt selbstverständlich, daß die magnetische
Flußdichte nicht in einigen Teilen des Magnetkreises durch
magnetische Sättigung begrenzt wird). In der Regel ist die Oberfläche
des Rotors nächst dem Stator mit Zähnen versehen, die zwischen
sich jeweils einen Spalt ausbilden. (Wenn angestrebt, können diese
Spalte mit einem magnetisch armen Material ausgefüllt werden, um so
eine gleichförmige glatte Oberfläche auf dem Rotor zu erzielen, und
die Luftreibung zu reduzieren oder um die konstruktionstechnische
Festigkeit zu erhöhen). Der Weg oder Pfad der geringsten Reluktanz
zwischen dem Stator und dem Rotor, den der größte Teil des Magnetflusses
passiert, ist durch die kurzen Luftspalte zwischen den Stator-
und Rotorzähnen. Weit weniger erfolgt der Magnetfluß durch die
größeren Luftspalte im Bereich der Schlitze zwischen Rotorzähnen, wo
die Reluktanz weit größer ist. Wenn der Rotor dreht, kommen dessen
Schlitze oder Nuten abwechselnd in Positionen gegenüberliegend Sektionen
der Statorkerne und bewirken damit den Magnetfluß durch diese
Sektionen und erfahren so periodische Variationen, wodurch eine
EMK in der dort jeweils angeordneten Ausgangswicklung induziert wird.
In einigen Induktor-Alternatoren weist der Rotor als auch der Stator
Spalte und Zähne auf. In diesen Maschinen fließt hier der größte
Teil des Magnetflusses durch die Stator- und Rotorzähne, die miteinander
ausgerichtet sind. Derartige gezahnte Statormaschinen werden
zur Erzeugung einer Hochfrequenz verwendet ohne die Erfordernis
engabständlicher Ausgangswicklungen. Die Steigung der Ausgangswicklung
auf den Statorkernen anderer Induktor-Alternatoren ist den Rotorzähnen
angepaßt.
Induktor-Alternatoren wurden zur Erzeugung von Hochfrequenzleistung
dort verwendet, wo strukturelle Grenzen gesetzt waren oder Drehzahlbegrenzungen
(die oft von Bürsten und Schleifringen verursacht wurden)
die traditionellen Alternatoren unzweckmäßig machten. Die Induktor-
Alternatoren wurden auch mit Antrieben mit hohen Drehzahlen,
(wie Gasturbinen) verwendet, wo traditionelle Nicht-Induktor-Alternatoren
schwere und kostenintensive Untersetzungsgetriebe erforderlich
machen würden. Traditionelle Nicht-Induktor-Alternatoren wurden
in der Regel gegenüber Induktor-Alternatoren für die niedrigen
und moderaten Drehzahlen-Anwendungen bevorzugt, und dies trotz der
Nachteile durch Bürsten und Schleifringe. Anders als bei den traditionellen
Nicht-Induktor-Alternatoren wechselt der Fluß durch die
Ausgangswicklungen in einem Induktor-Alternator nicht die Richtung,
sondern verändert sich nur zwischen einem Minimum und einem Maximum
gleicher Polarität. Folglich, alle Dinge ausgeglichen, ein Induktor-
Alternator hat ungefähr die halbe EMK-Abgabe gegenüber einem traditionellen
Alternator ähnlicher Größe bei gleicher Drehzahl.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Vielfalt Induktor-Alternatoren
vor, die Induktor-Alternatoren für Anwendungen in niedrigen und moderaten
Drehzahlbereichen ersetzen können. Herkömmliche Wege oder
Methoden, einen Nicht-Induktor-Alternator in Anwendungen mit derart
niedrigen und moderaten Drehzahlen zu ersetzen, schlossen die Vergrößerung
der Abmessungen des Induktor-Alternators, oder eine Erhöhung
der Drehzahl auf ungefähr das Zweifache eines vergleichbaren
Nicht-Induktor-Alternators ein. Die erstere Lösung hat den Nachteil
größerer Abmessungen und höherer Kosten, während die zweite Lösung
in der Regel zu Schwierigkeiten mit den Drehlagern und Übersetzungsgetrieben
führte. Diese Erfindung überwindet beide dieser Nachteile.
Eine Type des Induktor-Alternators schließt einen den Rotor umgreifenden
Stator und einen zur Drehung im Stator ausgelegten Rotor ein.
Wicklungen sind für die Erzeugung eines Magnetflusses in einem Magnetkreis
durch den Stator, über zum Rotor, durch den Rotor und zurück
zum Stator ausgelegt. Abständliche Induktorzähne am Rotorumfang sind
derart angeordnet, daß der Weg geringster Reluktanz für den Magnetfluß
durch diese Zähne führt. Die Ausgangswicklungen innerhalb des
Stators übertragen die abgegebene Leistung darin induziert, wie die
Flußdichte durch die Wicklungen wechselt von einem Maximum zu einem
Minimum so, wie die Fluß-Nebenkreise durch die Wicklungen abwechselnd
dies ausführen, und keine Rotorzähne einschließen. Eine elektromotorische
Kraft wird durch diese Magnetfluß-Variation induziert. Dieser
Induktor-Alternator wird hierin durch die Verwendung eines Stators
verbessert, der den Rotor nicht umschließt. Die Verbesserung umfaßt
die Kombination eines Rotors, und zwar mit einem Statorsegment, ausgelegt
einen Magnetflußkreis durch einen Sektor des Rotors zu bilden,
und Mitteln, das Statorsegment mit einem Rotorsektor zu koppeln, so
daß die Rotorzähne der Weg der geringsten Reluktanz für den Magnetfluß
ist, induzierend eine elektromotorische Kraft bei drehendem Rotor.
Ein solcher Induktor-Alternator hat einen großen Anwendungsbereich,
der herkömmlichen Alternatoren nicht zugängig ist.
In traditionellen Drehfeld- oder Drehanker-Alternatoren variiert die
Magnetflußdichte durch einen Anker kennzeichnend von einem Maximalwert
B zu einem Minimalwert gleicher Größenordnung, jedoch umgekehrter
Polarität, -B. Dies ergibt eine Gesamt-Doppelspitzen-Amplitude
von 2B in den Flußdichte- oder Induktionszyklen. In einem herkömmlichen
Induktor-Alternator variiert diese Magnetflußdichte durch eine
Sektion Ankerwicklungen von einem Maximalwert B zu einem Minimalwert
b gleicher Polarität, was eine Amplitude von B-b ergibt. Die Minimum-
Flußdichte b ist kennzeichnend sehr nahe an Null, wodurch sich
eine Doppelspitzen-Amplitude für die Flußdichtezyklen von annähernd
B ergibt. Da die Größenordnung von B kennzeichnend durch die magnetischen
Sättigungseigenschaften des in den Magnetkreisen verwendeten
Materials bestimmt wird, ist die Amplitude der Flußdichtezyklen in
einem Induktor-Alternator kennzeichnend die Hälfte dessen eines vergleichbaren
traditionellen Alternators. Das heißt, daß der Induktor-
Alternator von nur der Hälfte der Leistungsabgabe des traditionellen
Alternators hat. Trotzdem sind die Induktor-Alternatoren im besonderen
für Anwendungen im Bereich hoher Drehzahlen geeignet, in welchem
traditionelle Alternatoren durch deren Bürsten und Schleifringe nur
beschränkt einsatzfähig sind. Die Induktor-Alternatoren werden auch
in der Hochfrequenz vorgesehen, wo die erforderliche größere Anzahl
an Polpaaren und Wicklungen sich für einen traditionellen Alternator
von selbst verbietet. Die in der vorliegenden Erfindung vorgesehenen
Alternatoren erfüllen nicht nur diese Erfordernisse, sondern viele
andere, für die frühere Induktor-Alternatoren nicht eingesetzt werden
konnten.
Die vorhergehend generell erläuterte Erfindung wird nun nachfolgend
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Gleichpol-
Induktor-Alternators;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Wechselpol-
Induktor-Alternators;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Gleichpol-Induktor-
Alternators der Fig. 1;
Fig. 4 eine Darstellung einer bevorzugten Form eines Gleichpol-Induktor-
Alternators dieser Erfindung;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht des Induktor-Alternators
der Fig. 4;
Fig. 6 eine Ausführungsform eines Rotors des Induktor-Alternators
mit einer Zahnform, die den Wirbelstrom reduziert:
Fig. 7 eine teilweise schematische Ansicht eines Wechselpol-Induktor-
Alternators dieser Erfindung:
Fig. 8 und 9 eine spezielle Ausführungsform des Induktor-Alternators
dieser Erfindung.
Wie bereits vorhergehend erläutert, bestehen herkömmliche Induktor-
Alternatoren aus einem den Rotor umschließenden Stator. Sofern bekannt,
ist der Rotor generell vom Stator eingeschlossen. Die Erfindung
setzt aus von Induktor-Alternatoren, in denen der Rotor nicht
vom Stator eingeschlossen ist, was eine geringaufwendige Verwendung
von Rotoren mit einem vergleichsweise großen Radius und entsprechend
hoher Umfangsgeschwindigkeit für eine gegebene Drehzahl erlaubt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die Kombination eines Rotors (1),
mit einem Stator (2), ausgelegt für die Koppelung mit lediglich einem
Teil des Rotorumfangs. Folglich kann in der bevorzugten Ausführungsform
der einfachste Teil eines solchen Induktor-Alternators,
nämlich der Rotor, zur Erhöhung der Leistungsabgabe bei niedrigen
Drehzahlen vergrößert werden, während der schwerste, komplizierteste
und teuerste Teil, der Stator, klein gehalten werden kann. Im wesentlichen
wird durch den Rotor mit großem Radius ein andererseits
normal-dimensionierter Induktor-Alternator ohne die Verwendung von
Getrieben, Riemen und Scheiben oder anderen mechanischen Einrichtungen
"hochgestuft". Letztlich ermöglicht diese Type eines Induktor-
Alternators ein gewisses Niveau für Konstruktions-Flexibilität, was
das Ein- oder Angliedern in bzw. an andere rotierende Maschinenelemente,
wie Motor-Schwungräder, erleichtert.
Die Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen gleichpoligen Induktor-Alternator
2, ausgestattet mit einem Stator 4 und einem Rotor 6. Es kann
daraus ersehen werden, daß der Stator 4 den Rotor 6 vollständig umschließt.
Der Induktor-Alternator 2 wird mit zwei lamellierten Statorkernen
8 und 10, wie in Fig. 3 dargestellt, gefertigt. Außerdem
sind zwei Sätze Induktor-Rotorzähne 12 und 14 vorgesehen, wovon nur
einer 12 in der Fig. 1 sichtbar ist. Die Statorkerne 8 und 10 (Fig. 3)
tragen die Ausgangswicklungen 16 und 18. Die Feldwicklung 20
besteht aus einer konzentrisch mit der Maschinen-Achse ausgerichteten
Spule zur Erzeugung eines unidirektionalen Flußpfades 22 durch
beide, den Stator 4 und den Rotor 6, verbindend die Ausgangswicklungen
16, 18. Der größte Teil des von der Feldwicklung 20 erzeugten
Magnetflusses fließt durch den Rotor 6 über die Zähne 12 und 14
wie in Fig. 3 gezeigt. Die Steigung der Ausgangswicklungen 16 und 18
ist derart ausgelegt, daß, wenn dieser Rotor 6 dreht, der Magnetfluß
durch den Rotor über die Zähne 12 und 14 zyklisch wird. Der Magnetfluß
insgesamt durch Rotor 6 und Stator 4 bleibt bei drehendem Rotor
in etwa konstant, wodurch jede Reaktion in der Feldspule 20 auf
einem Minimum gehalten wird.
Ein herkömmlicher wechselpoliger Induktor-Alternator 30 ist in der
Fig. 2 gezeigt. Der Induktor-Alternator ist auch mit einem Gehäuse
32, einem Stator 34, sowie Feldwicklungen 36 und Ausgangswicklungen
38 versehen. Im Gegensatz zu den Feldwicklungen 20 in einer gleichpoligen
Maschine, wie der Alternator 2, sind die Feldwicklungen 30
in Spulen 36 in speziellen Statornuten aufgeteilt. Diese Feldspulen
sind nicht konzentrisch zur Alternatorwelle ausgerichtet, und die
Polarität des Magnetflusses durch die Induktorzähne 37 variiert mit
der Rotordrehung. Wie in einem gleichpoligen Induktor-Alternator,
hängt der Magnetfluß durch jeden Punkt auf der Oberfläche des Statorkerns
nächst dem Rotor von der lokalen Reluktanz des Magnetkreises
ab, die eine Rolle erster Ordnung zur Bestimmung der Größe des
Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor an diesem Punkt spielt.
Folglich variiert der Magnetfluß durch jeden Punkt, von einem Maximum,
wenn gegenüberliegend einem Zahn, zu einem Minimum, wenn dann
gegenüberliegend einem Luftspalt 40. Der örtliche Magnetfluß durchläuft
einen kompletten Zyklus und zwar jedesmal wenn der Rotor sich
durch eine Rotor-Zahnteilung bewegt. Wenn der Rotor dreht, verläuft
der lokale Magnetfluß in jedem dieser magnetischen Nebenkreise zyklisch,
und eine entsprechend zyklische EMK wird auch in den Ausgangswicklungen
38 induziert, die so nah als möglich zur Oberfläche
des Stators nächst dem Rotor plaziert sind, wo der örtliche Magnetfluß
am stärksten variiert.
Die Ausgangs-EMK steht im direkten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit
des Rotors. Die Erhöhung der Geschwindigkeit wird in erster
Linie die Ausgangs-EMK des Alternators proportional erhöhen. Wie in
der vorhergehenden Beschreibung erläutert, erzeugt ein Induktor-Alternator
in etwa die Hälfte der Ausgangsleistung eines vergleichbaren
traditionellen Alternators gleicher Größe. Wenn, z. B.,
ein traditioneller Drehfeld-Alternator durch einen herkömmlichen
Induktor-Alternator in etwa gleicher Größe ersetzt würde, so müßte
dieser mit in etwa der zweifachen Drehzahl angetrieben werden, um
die gleiche Leistung abzugeben. Ein derartiger Lösungsweg hat viele
Nachteile zur Folge, wie sorgfältiger ausgewählte oder teuere Drehlager
und extra Getriebe. In vielen Einsatzbereichen werden diese
Nachteile aufgewogen durch die inhärenten Vorteile eines Induktor-
Alternators. Ein großer Induktor-Alternator könnte mit der gleichen
Drehzahl arbeitend eingesetzt werden wie eine Drehfeldmaschine, jedoch
nur mit den Nachteilen eines höheren Gewichts und höherer Kosten.
In der praktischen Ausübung dieser Erfindung kann ein Induktor-Alternator,
eher als ein reiner Alternator, vergrößert werden. Der an
sich einfachste Teil des Induktor-Alternators ist der Rotor. Durch
diese Erfindung kann der Rotor in seiner Größe oder seinen Dimensionen
verdoppelt werden, wobei die Größe des jeweiligen Stators konstant
bleibt. Die Form des Stators ist modifiziert, und der Stator
mit einem Teil oder Sektor des Umfangs des Rotors in einem koppelnden
Eingriff. Der Induktor-Alternator wird folglich zu einem aus
Segmenten gebildeten Stator-Induktor-Alternator, worin dann der Rotor
nicht mehr vollständig vom Stator eingeschlossen ist. Durch die
erhöhte Umfangsgeschwindigkeit hat eine solche Maschine eine Leistungsabgabe,
vergleichbar mit dem Drehfeld-Alternator bei gleicher
Drehzahl, und, bei nur einer relativ geringen Gewichtszunahme. In
der Weiterverfolgung der Lehren dieser Erfindung, kann dieser Rotor
auch noch größer gemacht werden und das Statorsegment in seinen Dimensionen
verkleinert werden, bis eine optimale Konstruktion für
eine bestimmte Anwendung erreicht ist. Diese Erfindung bietet damit
einen neuen Grad an Freizügigkeit in der Konstruktion von Alternatoren.
Ein bevorzugter Induktor-Alternator dieser Erfindung mit einem Statorsegment,
welches mit nur einem Sektor des Rotors gekoppelt ist,
zeigt die Fig. 4. Der Rotor 52 weist Zähne 54 und Spalte auf, wie
in anderen Induktor-Alternatoren. Wie jedoch daraus zu ersehen ist,
umschließt der Stator 50 nicht den Rotor 52. Eine Feldwicklung 56
ist, wie gezeigt, am Stator 50 festgelegt. In der in Fig. 5 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform, läuft ein flacher Rotor 52 in
einer Öffnung oder einem Spalt 55 in einem C-förmig ausgebildeten
Stator 50. Während ein Rotor, wie der mit Bezugsziffer 6 in Fig. 1
auch für einen Alternator dieser Erfindung verwendet werden kann,
ist doch diese flache Ausführungsform weniger komplex und billiger
für eine bestimmte Größe eines Rotors. Die in der Fig. 5 sichtbare
Feldspule 56 umgreift den Stator gegenüberliegend dem Spalt 55. Der
Magnetflußpfad verläuft dann um den Stator herum, wie dies gezeigt
ist mit dem größten Teil des Magnetflusses über den Spalt 55
durch die Rotorzähne 54, welches der Pfad der geringsten Reluktanz
ist. Ein sehr geringer Teil des Magnetflusses überbrückt die größeren
Luftspalte zwischen den Zähnen. Wie in anderen Induktor-Alternatoren,
wenn der Rotor dreht, verändert sich die lokale magnetische
Flußdichte nächst der Spalte und eine EMK wird dadurch in den
Ausgangswicklungen induziert. Die Ausgangswicklungen 58 sind nächst
einer oder beider Stirnseiten des Stators 50 in der Nähe des Spaltes
55 angeordnet wo die Änderungen der Flußdichte am größten sind.
Der Stator 50 ist so ausgelegt, daß er die Reaktion in der Feldspule
auf ein Minimum zurückführt durch Aufrechterhaltung in etwa der
gleichen Total-Reaktanz im Gesamt-Magnetkreis, wenn die Einrichtung
arbeitet. Grundsätzlich erfordert dies, daß hier eine gleiche Anzahl
an Zähnen und Zwischenräumen zwischen den Zähnen immer überlappend
sind, obwohl die Auswirkungen der magnetischen Streuflußbildung
in der Konstruktion u. a. auch in Betracht gezogen werden
sollten.
Da nun, wenn der Rotor dreht, die Zähne am Rotor sich ein und aus
dem Statorspalt 55 und folglich in und aus dem Magnetfeld bewegen,
ist die Tendenz vorhanden, daß Wirbelströme an den Rotorzähnen erzeugt
werden. Die durch die Wirbelströme entstehenden Verluste können
reduziert werden, indem Kernwerkstoffe oder lamelliertes Material
für die Rotorzähne zur Verwendung kommt, was an sich auf diesem
Fachgebiet bekannt ist. Eine alternative Methode, die für einige
Anwendungsbereiche zu bevorzugen wäre, ist die, in die Rotorzähne
schmale radiale Schlitze einzuarbeiten, wie es in der Fig. 6
dargestellt ist. Das Problem der Wirbelströme muß auch in der Statorkonstruktion
in Betracht gezogen werden, welche auch aus magnetischen
Kernwerkstoffen bestehen sollte. Eine Ausnahme besteht allerdings
hier, und zwar ist dies der Teil des Stators nächst der oder
eingeschlossen von der Feldspule. Dieser Teil kann, wenn erforderlich,
aus massivem leitfähigen Material bestehen. Alle darin induzierten
Ströme neigen hauptsächlich zu einer Dämpfung der Reaktion
in der Feldspule. Spezielle Dämpfungsspulen können, wenn erforderlich
auf die gleiche Weise eingesetzt werden.
Der in der Fig. 4 gezeigte Alternator ist ein gleichpoliger Induktor-
Alternator in seiner Ausführungsform, da die Richtung des Magnetflusses
in die Rotorzähne nicht wechselt, während sie koppelnd
in Eingriff sind. Einen wechselpoligen Induktor-Alternator 60 zeigt
die Fig. 7, mit seinem Statorsegment 62, dem Rotor 64, multipolaren
Magnetflußpfaden 61, der Feldspule 65 und den Ausgangswicklungen
68 fällt er auch unter das Schutzbegehren der vorliegenden Erfindung.
Wie hierzu zu bemerken ist, ist die Größe des Statorsegments ausreichend
für eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit zur Erzeugung
einer geforderten induzierten elektromotorischen Kraft. Obwohl eine
solche EMK-Bestimmung an sich auf diesem Fachgebiet bekannt ist,
soll nachfolgend ein spezifisches Beispiel gegeben werden.
Es wird dazu ein Induktor-Alternator mit einem segmentförmigen Stator,
wie in der Fig. 4 dargestellt, in Betracht gezogen, mit einem
Rotordurchmesser von 30,5 cm (in etwa der eines Automobilschwungrades),
was einen Umfang von 96 cm ergibt. Dieser Rotor weist Zähne
von annähernd 2 cm×2 cm Fläche mit ähnlich dimensionierten spaltenförmigen
Zwischenräumen zwischen den Zähnen auf, was insgesamt
24 Zähne und 24 Zwischenräume um den Umfang ergibt. Die genaue Form
und die relativen Fläche der Zähne und Spalten kann variieren mit
den verschiedenen Alternator-Konstruktionen. Die Zähne und Spalten
können z. B. so geformt sein, eine bestimmte Ausgangswellenform
unter bestimmten Lastkonditionen zu erzeugen. Zum Zweck dieser
Berechnung wird davon ausgegangen, daß alle Wellenformen approximiert
werden können durch eine einfache Sinuswelle. Die allgemeine
Formel für die Leerlauf-EMK, V, induziert um einen geschlossenen
Kreis, ist
worin Φ der Magnetfluß ist, koppelnd den elektrischen Kreis. Unter
Annahme der Fluß kann approximiert werden durch eine Sinuswelle,
und der Ausgangsstromkreis besteht aus N Windungen um den Magnetflußpfad,
Φ=NΦ₀sin (2πft+ϕ) (2)
worin Φ₀ ist die Amplitude des Magnetflusses durch den Flußpfad,
f ist die Frequenz, und eine beliebige Phasenkonstante. Wenn
B ist die effektive Amplitude der magnetischen Flußdichte,
Φ₀=B₀A (3)
worin A ist die Querschnittsfläche des Magnetflußpfades. Dies ergibt
eine Spannungs-Amplitude von
V₀=2πNfB₀A (4)
oder eine Effektivwert-Amplitude von
Vrms=√πNfB₀A (5)
In einem Induktor-Alternator variiert der Fluß von einem Maximum B
zu einem Minium b, und die effektive Flußdichte-Amplitude ist hier
worin b ist klein. Die meisten in Alternatoren verwendeten Materialien
sättigen bei einer Magnetflußdichte von wesentlich über 1 Tesla.
Deshalb würde eine zurückhaltende Schätzung der Amplitude der Flußdichte-
Schwankungen bei 0,5 Tesla liegen. Unter Verwendung der Formel
(3), mit dem Stator drei Paar Zähne und Spalten überlappend,
würde voll aktive Fläche des Alternators 24 cm² (0,0024 m²) sein,
was eine Gesamt-Flußamplitude durch den Magnetkreis von =0,0012
Webbers ergibt.
Mit einer Wellendrehzahl von 500 U/min wird eine Frequenz von f=
200 Hz erzeugt. Durch die Gleichung (5) mit einer Ausgangswicklung
von N=15 Windungen ergibt dies eine effektive Leerlaufspannung
von V---=16,0 Volt. Die obige Berechnung kann verallgemeinert
werden zu einer arbiträren periodischen Wellenform unter Verwendung
der Fourier-Analyse.
Es wurde besonderer Wert darauf gelegt, daß ein bevorzugter Aspekt
dieser Erfindung sich auf die Einbeziehung des Rotors des Induktor-
Alternators in einen existierenden rotierenden Bauteil einer Maschine
gerichtet ist. Die Verwendung eines Statorsegments macht dies ausführbar.
Die letztliche Gesamtgröße des Alternators wird nicht allein
des zur Verwendung kommenden rotierenden Elements bestimmt. Darüberhinaus
schränkt ein segmentförmiger Stator nicht den Zugang für
die Unterhaltung oder Reparaturen in der Weise ein, wie es bei einem
Vollstator der Fall ist.
Das Integrieren des Rotors eines Induktor-Alternators mit einem rotierenden
Element in seine Antriebsmaschine bietet signifikante Vorteile
in vielen Anwendungsbereichen. Ein gutes Beispiel ist hier das
Schwungrad an einer Verbrennungs-Kraftmaschine, welches modifiziert
als Rotor für einen segmentförmigen Stator eines Induktor-Alternators
dieser Erfindung dienen kann. Die meisten dieser Maschinen erfordern
einen Alternator oder Generator für zusätzliche elektrische Leistungen.
Diese elektrische Leistung wird sehr oft von einer Drehfeld- oder
Ankermaschine erzeugt, die am Motorblock angebaut ist und über Riemen
und Riemenscheiben angetrieben wird. Die Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen alternativen Lösungsweg
aufzeigt. Die für einen Induktor-Alternator erforderlichen
Zähne sind in und um den Umfang des Schwungrades eingeformt. Eine
Unterbringung in einem Gehäuse oder eine Ummantelung des gesamten
Schwungrades würde sich verbieten und den Zugang zum Schwungrad in
jeder Weise beschränken, und es würde dann ein Alternator mit einer
für die meisten Erfordernisse überhöhten Leistungsabgabe unrichtigerweise
vorgesehen. Unter Nutzung der vorliegenden Erfindung kann ein
Statorsegment 90 vorgesehen werden. Auf diese Weise kann der Stator
für den tatsächlich benötigten elektrischen Leistungsbedarf, die Motordrehzahl
und auf die Größe des für den Motor benötigten Schwungrades
ausgelegt werden. Der Zugang oder Zugriff zum Schwungrad ist
dadurch nur minimal behindert und dieser Stator kann an das Schwungradgehäuse
an jeder beliebigen Stelle z. B. ohne Behinderung
des Anlassers angebaut werden. Die Konstruktion selbst reduziert den
Raumbedarf des Motors insgesamt durch den Wegfall der sperrigen Anhängsel
eines separaten Alternators. Es steigert auch die Zuverlässigkeit
durch Wegfall der Riemen, Riemenscheiben, separaten Alternator-
Drehlagern sowie Bürsten und Schleifringen.
Der Induktions-Alternator mit segmentförmigem Stator der vorliegenden
Erfindung, dessen Stator nur mit einem Sektor des Rotor in Eingriff
kommt, kann die traditionellen Alternatoren in vielen Anwendungsbereichen
mit niedrigen Drehzahlen ersetzen. Der am meisten herausragende
Vorteil des Induktor-Alternators ist die Eliminierung von Bürsten
und Schleifringen. Diese Teile unterliegen dem Verschleiß und
der Korrosion, und erfordern oft periodisch Ersatz. Diese Teile sind
auch die Hauptursache für Ausfallzeiten, Versagen und Fehler in diesen
Alternatoren. Sie neigen auch zur Funkenbildung, was in potentiell
explosiver Umgebung ein Sicherheitsrisiko darstellt, sie produzieren
Ozon, was wiederum eine Umweltgefährdung darstellt. Alle diese
Probleme können durch die Verwendung des hiermit zur Verfügung stehenden
Induktor-Alternators eliminiert werden. Letztlich, durch Eingliedern
des Rotors in die Struktur verschiedener anderer rotierender
Elemente einer Antriebsmaschine, kann die Verwendung eines Segmentstator-
Induktor-Alternators die Notwendigkeit für separate Alternator-
Drehlager und der verschiedenen Antriebsmittel, wie Getriebe
oder Riemen und Riemenscheiben, eliminiert werden, was die Zuverlässigkeit
dieses Alternator-Systems steigert und die Instandhaltungsarbeiten
reduziert. Dies kann auch zu einer kompakteren und leichteren
Maschineneinheit führen, und auch die Produktionskosten senken.
Zusammenfassend, wie vorhergehend beschrieben, bestehen Induktor-Alternatoren
gewöhnlich aus einem den Rotor umschließenden Stator. Dies
ist hier nicht der Fall. Diese Type zeigt eine Linie der konstruktiven
Ausführungs- und Einsatz-Flexibilität auf, die es ermöglicht, den
Rotor in oder an anderen rotierenden Maschinenelementen, wie Schwungräder
oder -scheiben, Getrieben, Turbinenrotoren oder Bremsscheiben
an- oder einzugliedern. Es ist möglich, einen mehrphasigen Ausgang mit
einem Segmentstator zu erzielen. Dies kann durchgeführt werden, indem
wie in der Praxis mit herkömmlichen Alternatoren, durch eine entsprechende
Anzahl Spulensätze am Stator, die versetzt zueinander angeordnet
werden. Es kann auch auf andere Weise erfolgen, indem dann für
jede Phase ein separater Stator mit jeweils einer Spule vorgesehen
wird. Der Anbau dieser Statoren erfolgt dann physikalisch versetzt um
den Rotor. In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung, wie in
Fig. 8 gezeigt, wird ein Rotor 80 eingesetzt, dessen Zähne 82 senkrecht
zum rotierenden Teil ausgerichtet sind. Eine solche Ausführung,
wenn eingegliedert in einem Maschinenteil, läßt die äußere Kante frei
für andere Verwendung. Es kann auch aus der obigen Beschreibung entnommen
werden, daß ein Großteil des Rotors, einschließlich des mittigen
Teils, nicht als Teil des Magnetkreises genutzt wird, und somit
keine magnetischen Eigenschaften haben muß. Diese Teile könnten
z. B. aus Plastik (Kunststoff) bestehen. Folglich ist der Bereich
der Maschinenelemente, denen ein Rotor zugeordnet werden kann,
nicht beschränkt auf jene aus magnetischem Material. Der Alternator
kann auch als ein Drehzahlsensor oder -meßgerät verwendet werden.
Die Zyklen können pro Zeiteinheit zur Erfassung der Drehzahl einfach
gezählt werden, oder mit einer stabilen Feldstärke, die Ausgangs-EMK
ist proportional zur Drehzahl. Für diese Anwendungen kann der Stator
wesentlich kleiner ausgeführt werden, da er lediglich einen Zahn
und einen Spalt erfaßt. Wie mit den meisten rotierenden elektrischen
Maschinen, kann diese Type eines Induktor-Alternators auch als eine
Linearmaschine gebaut werden. Diese und andere Vorteile und Modifikationen
werden als innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung beansprucht.
Claims (14)
1. Induktor-Alternator zur Erzeugung von Energie, wo die Umgebungsverhältnisse
gegen verfügbare Alternatoren sprechen, die einen vom
Stator voll umschlossenen Rotor aufweisen, gekennzeichnet
durch (a) einen Rotor mit einem gegenüber entsprechenden
verfügbaren umschlossenen Rotoren relativ großen Radius und damit
entsprechend höherer Umfangsgeschwindigkeit bei einer gegebenen
Drehzahl, wobei der Rotor eine Vielzahl abständlich voneinander angeordneter
Rotorzähne aufweist, die bei der Drehung des Rotors einen
Kreis oder Kreisring beschreiben, (b) einen Stator, der nur einen
Sektor des Rotors zugekehrt ausgebildet ist anstelle den Rotor
zu umschließen, wobei der Stator die Form eines Segments hat, angeordnet
angrenzend dem Rotor und jeweils nur mit einem Bogen des beschriebenen
Kreises oder Kreisbogens in Eingriff stehend, (c) stationäre
Feldspulen in Anordnung innerhalb des Stators zur Erzeugung
eines einen Magnetkreis ausbildenden Magnetflusses durch Statorsegment
und Rotor, mit dem Hauptmagnetflußpfad durch die Rotorzähne in
dem Bogen des beschriebenen Kreises oder Kreisbogens, und (d) Ausgangswicklungen
in Anordnung innerhalb des Stators nächst einer Stator-
Stirnfläche, an der die Flußdichtewechsel am größten sind, wobei
die Ausgangswicklungen für die Führung des Ausgangsstroms ausgelegt
sind, der darin durch die aus der Bewegung der Rotorzähne durch
den Stator hindurch resultierenden Flußänderungen induziert wird.
2. Induktor-Alternator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl Feldwicklungen einen
Magnetfluß in einer Reihe Magnetkreise innerhalb des Stators erzeugen
und eine Vielzahl Ausgangswicklungen den induzierten Strom
übertragen.
3. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feldwicklungen so ausgelegt sind,
einen in einer Richtung wirkenden Fluß in den Magnetkreisen zu
zu erzeugen.
4. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feldwicklungen so ausgelegt sind,
einen Fluß in den Magnetkreisen zu erzeugen, die entgegengerichtet
sind.
5. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor in einem Maschinenteil inkorporiert
ist.
6. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittelteil des Rotors aus einem
nicht-magnetischen Material besteht, und der gezahnte Umfang aus
einem magnetischen Material.
7. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Statorsegments ausreichend
ausgelegt ist, gebend dem Rotor Umfangsgeschwindigkeit,
Flußpfad-Reluktanz, Feldwicklungswindungen und Strom, um in Eingriff
mit einer Anzahl Rotorzähnen zu kommen, die bestimmt sind,
die erforderliche elektromagnetische Kraft und Strom zu erzeugen.
8. Induktor-Alternator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das den Rotor zugeordnet erhaltende
Maschinenelement direkt mit der Antriebswelle seiner Antriebsmaschine
verbunden ist, wodurch ein separater Alternator, Alternator-
Antriebsmittel und zugehörige Drehlager, Riemen und Scheiben
eliminiert werden.
9. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor ein Schwungrad oder eine
Schwungscheibe ist.
10. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor ein Getrieberad ist.
11. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor ein Turbinen-Rotor ist.
12. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor eine Bremsscheibe oder -trommel
ist.
13. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor ein Rad ist.
14. Induktor-Alternator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor ein Kupplungselement ist.
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