DE660291C

DE660291C - Wechselstromerzeuger mit Dauermagnetanker, insbesondere zur UEbertragung einer Messgroesse

Info

Publication number: DE660291C
Application number: DEA74199D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1933-09-28
Filing date: 1934-09-29
Publication date: 1938-05-23
Also published as: US1980808A; GB444642A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromerzeuger mit einem als Dauermagneten ausgebildeten Anker; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die besondere Ausgestaltung der Maschine, derart, daß trotz der Verwendung eines Dauermagneten eine weitgehende Genauigkeit, beispielsweise bei der Spannungserzeugung, auch nach langem Gebrauch erhalten bleibt. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß der Ständer der Maschine so ausgebildet ist, daß die Feldlinien des Ankers bei seiner Umdrehung stets einen völlig geschlossenen, aber verschieden verlaufenden Rückschlußweg bei gleichbleibender Felddichte im Luftspalt vorfinden, so daß eine rechteckig verlaufende Wechselspannung entsteht und zyklische Abweichungen im Ankergegendrehmoment nicht auftreten können.·
Zur Erzeugung rechteckiger Spannungskurven sind bereits Wechselstrommaschinen bekannt, bei denen durch fast halbzylindrische Ausbildung der Ankerpole eine gleichbleibende Felddichte im Luftspalt vorhanden ist. Eine derartige Ausbildung des Ankers hat aber gewisse Nachteile sowohl hinsichtlich der Flußverteilung im Anker während des Polwechsels als auch in bezug auf die elektrische Beanspruchung der Pole durch starke Zusammendrängung der magnetischen Feldlinien bei der Umpolung des Ankers.

Ferner ist es bekannt, fast völlig geschlossene Ankerbohrungen im Ständer zu verwenden, wobei zwar stets ein geschlossener Rückschlußweg vorhanden ist, aber die Stromerzeugung mittels einer auf dem Läufer sitzenden Spule erfolgen muß, um den notwendigen Feldwechsel zu erhalten. Die Abmessungen der Spule können dabei nur gering sein, und auch wegen der ungleichmäßigen Feldverteilung dürfen sich zyklische Abweichungen vom Gegendrehmoment nicht vermeiden lassen. Auch die drehbare Anordnung der Spule ist für die Stromentnahme mit den bekannten Nachteilen verbunden. Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform ist zwar eine feststehende Spule vorhanden, aber da der Anker nicht selbst magnetisch ist, sondern durch einen feststehenden Anker beeinflußt wird, so ergibt sich auch hier eine Feldverteilung, die zur Erzeugung rechteckiger Kurven nicht geeignet ist.

Eine weitere bekannte Einrichtung dient zwar zur Erzeugung rechteckiger Kurven, jedoch ist bei dieser Einrichtung eine gleichbleibende Felddichte im Luftspalt nicht vorhanden, da nur durch deren Änderung die Wechselspannung in den beiden vorgesehenen Spulen erzeugt werden kann.

Der gemäß der Erfindung aufgebaute Wechselstromerzeuger hat gegenüber dem be-

kannten den Vorteil, daß nur eine Spule vorhanden ist, die durch den wechselnden Feldlinienverlauf induziert wird, wodurch sich ein. äußerst einfacher Aufbau und eine zuveflässige Wirkungsweise ergeben. Von besonderem Vorteil ist dabei das Merkmal, daß zyklische Abweichungen im Anker-Gegend drehmoment nicht auftreten können und sich eine im wesentlichen rechteckig verlaufende

ίο Wechselspannung erzeugen läßt. Ferner wird durch die besondere Art der Unterteilung des Umfanges der Ankerbohrung, indem ein die Spule tragender Polkern mit seiner Polfläche einen Teilumfang von 90⁰ der Polbohrung bildet, bei der Umpolung ein wechselnder Fluß erzeugt, der durch diese Ausbildung des Ständers einen erheblichen Teil der sonst erforderlichen Magnetisierungsarbeit im Joch erspart.

Zu den einzelnen Merkmalen der Erfindung sei noch darauf hingewiesen, daß einige von ihnen nur für die Spannungserzeugung von besonderem Vorteil sind, wobei es auf die Leistungsabgabe der Maschine nicht ankommt.

Bei elektrischen Messungen sind meist nur wenige Milliampere für das anzeigende Voltmeter oder ein entsprechendes Gerät erforderlich, so daß man zugunsten der Genauigkeit bei der Erzeugung der Wechselspannung auf besondere Leistungshergabe verzichten kann. Andererseits erfordern beispielsweise Zündmagnete im allgemeinen eine hohe Kraftabgabe, was eine Schwächung des Dauermagneten zur Folge hat. Für solche Geräte sind die genannten Erfindungsmerkmale nicht erwünscht, da sie die Leistungsabgabe begrenzen.

Besondere bauliche Merkmale gemäß der Erfindung ergeben sich aus der Verwendung von Dauermagnetstählen mit hoher Koerzitivkraft, wie sie im letzten Jahrzehnt bekanntgeworden sind. Mit derartigen Stählen läßt sich selbst bei beträchtlicher Verkürzung der Magnetstablänge eine verhältnismäßig große magnetische Kraft über einen kleinen Luftspalt leiten. Die Kürze des Magnetstabes hängt indessen proportional von der Länge des Luftweges ab, so daß zur Vermeidung einer schnellen Entmagnetisierung stets ein guter Rückschlußweg für den Fluß vorhanden sein soll. Die Ausbildung dieses Rückschlußweges für den Permanentmagneten des Wechselstromerzeugers bildet ebenfalls ein wesentliches Merkmal der Erfindung. In erster Linie ist die Maschine gemäß der Erfindung in Verbindung mit elektrischen Meßinstrumenten, insbesondere als Tachometer-Generator, zu gebrauchen/Ihre Wirkungsweise und ihr Aufbau soll daher an Hand einer Tachometer - Dynamo erläutert wer-den.

Die baulichen Einzelheiten einer Maschine

gemäß der Erfindung, ihre Wirkungsweise soy, wie die Art ihrer Zusammensetzung sind an

tnd der in der Zeichnung dargestellten Ausrungsbeispiele näher erläutert: ""^Fig. ι zeigt einen Wechselstromerzeuger in Vorderansicht, wobei sich der Anker in solcher Lage befindet, daß der magnetische Maximalfluß die Ständerpole durchsetzt.

Fig. 2 zeigt die gleiche Ansicht, wobei sich der Anker in solcher Lage befindet, daß kein magnetischer Fluß die Ständerspule durchsetzt. Fig. 3 zeigt den Magnetanker in Seitenansicht.

Fig. 4 stellt den graphischen Verlauf des magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Zeit dar.

Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Kurvenform des erzeugten Wechselstromes, und

Fig. 6 zeigt die Wechselspannung nach der Gleichrichtung in einem Gleichrichter,

Fig. 7 stellt eine andere Ausführungsform des Wechselstromerzeugers, insbesondere zur Verwendung für stark wechselnde Belastung, dar. .

Fig. 8 zeigt den Zusammenbau des Ständers.

Fig. 9 ist ein in anderer Weise ausgebildeter

Anker in Seitenansicht.

Gemäß Fig. 1 besteht der Wechselstromerzeuger aus einem Dauermagnetanker 10, der auf einer Welle 11 befestigt ist. Der zylinderförmige Anker ist seitlich abgeflacht, und zwar so, daß die Kanten der erhalten gebliebenen Mantelflächen des Zylinders einen Winkel von 90⁰ einschließen und die Mantelflächen so den Nord- und Südpol bilden. Der Anker 10 läuft in einem Ständer, der aus einzelnen Blechen 12 zusammengesetzt ist. Die Bleche werden durch Bolzen 13 oder andere Vorrichtungen zusammengehalten. Die Bleche haben im wesentlichen eine rechteckige Gestalt von rahmenförmiger Ausbildung und besitzen einen Vorsprung 14, der sich in das Innere des Rahmens 15 erstreckt. Zwischen dem Rahmenteil 15 und dem Vorsprung 14 wird ein Wickelraum 16 gebildet. Der durch die Bleche 12 gebildete Ständer 15 weist eine Bohrung für den Anker auf, die durch die Innenflächen 17 und 18 gebildet wird. Der Ständerpolfläche 17 steht in gleicher Breite eine Polfläche des Ankers gegenüber, während die Fläche 18 unter Belassung geringer Zwischenräume an den inneren Ecken der Äusnehmungen 16 die Ständerbohrung zu einer Zylinderfläche ergänzt. Auf dem Kern 14 sitzt eine vorher fertiggestellte Spule 19, deren Enden mit einem Vollweggleichrichter 20 verbunden sind. An den Gleichrichter ist ein Anzeigeinstrument 21 angeschlossen, dessen Skala vorzugsweise in Umdrehungen pro Minute

geeicht ist. Natürlich kann auch ein gewöhnliches Wechselstrom-Meßgerät mit der Spule 19 unmittelbar verbunden sein.

Die Wirkungsweise des in Fig. 1 und 2 dargestellten Wechselstromerzeugers ist folgende: Befindet sich jedes Element der Oberfläche der bogenförmigen Pole des Ankers 10 in Ge genüberstellung zu einem entsprechenden Teil der Bohrungsoberfläche des Kernes 12 und ist der zwischen Anker und Kern vorhandene Luftspalt an jeder Stelle und in jeder Lage des Ankers von gleicher Länge, so ist die Flußdichte über die ganze Oberfläche der Pol· bögen gleichmäßig verteilt, und die Größe des Flusses ist in jeder Umdrehungslage dieselbe. Dies erfordert für den Kern 12 ein Material von hoher magnetischer Permeabilität, so daß die Rückwirkung des Rückschlußweges gegenüber der Rückwirkung im Luftspalt zwischen Anker und Ständer als vernachlässigbar klein angesehen werden kann. Je nachdem, ob der Rückflußweg durch den Kern verhältnismäßig lang, wie in Fig. 1 durch die strichpunktierten Linien 22 angedeutet, oder verhältnismäßig kurz ist, wie in Fig. 2 durch entsprechende Linien 23 gezeigt, wird die gesamte Rückwirkung des magnetischen Rückflußweges im wesentlichen konstant sein und sich auf den Luftspalt zwischen Anker und Kern beschränken.

Zur weiteren Erfüllung dieser Idealbedingung ist es erforderlich, daß die Spule 19 einen so geringen Strom erzeugt, daß die von ihr im Kern 14 ausgeübte magnetomotorische Gegenkraft gegenüber der magnetomotorischen Kraft des Ankers 10 sehr klein ist.

Da sich der Fluß über die Polfiächen gleichmäßig verteilt, wird in jedem Augenblick der durch den Kern 14 hindurchtretende Fluß im" wesentlichen direkt proportional der vom Anker bestrichenen Fläche 17 sein. Diese Polbedeckung ändert sich unmittelbar mit der Winkelstellung des Ankers, so daß also auch der durch den Mittelkern 14 gehende Fluß von der Winkelstellung des Ankers abhängt.

Bei konstanter Drehung des Ankers wird also auch der Fluß geradlinig zu- und abnehmen, so daß eine konstante Spannung bei jeder Halbwelle in der Spule 19 erzeugt wird, deren Vorzeichen natürlich sich entsprechend dem Polwechsel ändert. Da mit auflaufender Polkante in bezug auf den Kern 14 der die Spule wirksam durchsetzende Fluß beginnt und mit ablaufender Polkante der Fluß wieder auf Null gebracht ist, so wechselt die Größe des Flusses in einem konstanten Verhältnis mit der Umdrehung des Ankers.

Läuft der Anker im Uhrzeigersinne um und wechselt aus der in Fig. 1 gezeichneten Lage zu der in Fig. 2 dargestellten Lage, so ändert sich der Fluß gemäß Fig. 4 von einem Höchstwert A bis zum Nullwert B. Mit auflaufender Kante des 5"-PoIeS nimmt der Fluß in negativer Richtung bis auf den Wert C zu, den er erreicht, wenn die Südpolfläche die innere Fläche 17 des Kernes 14 überdeckt. Hieraus geht hervor, daß bei im wesentlichen gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit des Ankers der Fluß sich gemäß der Zickzacklinie ABCDE in Abhängigkeit von der Zeit ändert. Daraus folgt, daß die in der Spule 19 induzierte Wechselspannung einen rechteckförmigen Verlauf gemäß der Linie F in Fig. 5 nimmt, während die gleichgerichtete Spannung, die dem Instrument 21 mitgeteilt wird, einen der Linie H gemäß Fig. 6 entsprechenden Verlauf nimmt. Hieraus geht hervor, daß die Spannung mit Ausnahme ganz kurzer Unterbrechungen im wesentlichen konstant ist.

Der rechteckige Spannungsverlauf hat für die Anzeige den besonderen Vorteil, daß auch bei geringer Umdrehungszahl und dementsprechend geringer Frequenz eine gute Anzeige erhalten wird, da der Zeiger infolge der Trägheit des Instrumentes praktisch in der dem Spannungswert entsprechenden Lage stehenbleibt. Demnach ist es mit dem Generator gemäß der Erfindung möglich, in sehr weiten Grenzen und mit einem hohen Grad von Genauigkeit mittlere und hohe Geschwindigkeiten zu messen.

Da die nahe beieinander liegenden Kanten des mittleren Kernes 14 und des äußeren Rahmens 15 leicht gesättigt sind, wird ein wesentlicher Fluß quer durch das untere Ende des Kernes 14 nicht fließen können, und der magnetische Fluß wird daher den in Fig 2 gezeichneten Verlauf gemäß der Linie 23 nehmen. Da der Fluß außerdem im wesentlichen bei der 'Drehung des Ankers konstant bleibt, ergeben sich folgende Vorteile: Zunächst werden so gut wie vollständig zyklische Änderungen des Läufer-Gegendrehmomentes infolge des Polzuges verhindert, wie es sonst allgemein bei Tachometer-Maschinen der Fall ist. Ferner ist der Hang zur Entmagnetisierung beim Anker im Laufe der Zeit geringer als bei den bekannten Generatoren dieser Art, so daß Fehlanzeigen durch Verschlechterung der Generator en wirkung ausgeschlossen sind.

Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß der Generator außerordentlich betriebssicher sowie einfach und billig in der Herstellung ist. Diese Vereinfachung wird in jeder Hinsicht dadurch erreicht, daß die Bleche 12 je aus einem ganzen Stück mittels eines einzigen Stanzvorganges hergestellt werden können. Außerdem ist bei diesem Aufbau der Bleche infolge des geschlossenen magnetischen Kreises eine Zunahme der magnetischen Rückwirkung ausgeschlossen. Nimmt man. nun eine ■gegenüber der Handwicklung besonders billig herzustellende fertige Spule 19, wie sie in

Fig. 8 dargestellt ist, so wird außerdem viel Arbeit gespart und ein mechanisch besserer Aufbau erreicht. Außerdem läßt sich eine größere Windungszahl unterbringen. Diese fertige Spule 19 und die Bleche 12 lassen sich in einfacher Weise dadurch vereinigen, daß man den Rahmen 15 gegenüber dem Vorsprung 14 abspreizt und, wie aus Fig. 8 entnommen werden kann, über die Spule schiebt. Das Material der Bleche kann so federnd gewählt werden, daß keine Verbiegungen entstehen und sich beim Zusammenpressen mittels durch die Löcher 24 hindurchgesteckter Bolzen eine gute Aneinanderlage der Bleche ergibt. Es kann vorkommen, daß ein Kurzschlußstrom oder so geringer Belastungsstrom fließt, der einen weit übernormal großen Fluß in der Spule hervorruft. Hierdurch entsteht in dem Vorsprung 14 eine verhältnismäßig große magnetomotorische Gegenkraft gegenüber dem Anker 10, der eine Abnahme des Flusses im Anker während eines Teiles der Umdrehung bewirkt. Dies wiederum kann schädliche Wirkungen hervorrufen, die von der Umlaufsgeschwindigkeit abhängig sind. Bei der Ausführungsform in Fig. 7 ist der Ständer 15 so aufgebaut, daß dieser Nachteil beseitigt ist, und zwar ist der Rahmenteil 15 in der Nähe des Vorsprunges 14 so verbreitert, daß dadurch ein magnetischer Nebenschluß entsteht, sobald der Spulenstrom einen gewissen Normalwert überschreitet.

Die in dieser Weise gestalteten Bleche 25 haben entsprechend kleineren Wickelraum 26, der durch die Nebenschlußvorsprünge 27 verengt wird. Zwischen den Vorsprüngen 27 und dem mittleren Kern 14 sind enge Schlitze vorhanden, die so bemessen sind, daß ihr magnetischer Widerstand gegenüber dem Widerstand im Kreis 22 verhältnismäßig groß ist, wenn der Generator unter normalen Bedingungen arbeitet. Ist dagegen die Spule 19 kurzgeschlossen, wenn der Anker 10 mit genügender Geschwindigkeit umläuft, so wird ein so großer Spulenstrom entstehen, daß ein Teil des Flusses über den Nebenschluß gemäß der Linien 28 geht. Praktisch wird der ganze Fluß von diesem Nebenschluß aufgenommen. Es kann natürlich durch geschickte Ausgestaltung erreicht werden, daß die Ständerrückwirkung, die die Spule 19 ausübt, den erreichbaren Maximalnuß in der Spule entsprechend begrenzt. Solange die Ankerrückwirkung klein gehalten wird, kann jede beliebige Windungszahl auf die Spule 19 aufgebracht werden, um eine gewünschte hohe Spannung zu erreichen.

Die Gestaltung des Dauermagnetankers in

Fig. 9 zeigt eine abweichende Ausführungsform, die in den Ständerelementen gemäß Fig. i, 2 und 7, insbesondere aber in denjenigen gemäß Fig. 1 und 2, verwendet werden kann, da diese nicht den magnetischen Nebenschluß für den mittleren Kern 14 besitzt. Der Anker gemäß Fig. 9 kann ohne nachteilige Wirkung auf den im Anker verbleibenden Magnetismus aus dem Ständerrahmen 15 entfernt werden, so daß eine starke Magnetisierung der Ankermagnete möglich ist, was verschiedene Vorteile hat. Der Anker besteht aus einer Anzahl einfacher Magnete 10 und einer Anzahl einfacher Platten 29 aus magnetischem Material, die einen verhältnismäßig geringen Widerstand haben. Die Platten und Magnete sind auf der Welle 11 befestigt und durch Luftzwischenräume getrennt. Obgleich jede Platte 29 scheibenförmige Gestalt haben kann, ist sie, wie die Fig. 9 zeigt, in gleicher Weise wie die Magnete 10 seitlich abgeflacht. Die Magnete 10 sind so angeordnet, daß die Mittellinien ihrer bogenförmigen Polflächen parallel zur Achse 11 verlaufen. Der Anker wird im ganzen durch einen kräftigen Elektromagneten magnetisiert, so daß alle Pole gleicher Polarität auf der gleichen Seite der Welle liegen. Die Platten 29 dienen als Rückschlußwege für die Magnete 10. Der Zwischenraum zwischen je einem Magneten und einer benachbarten Platte 29 ist wesentlich größer als der Zwischenraum zwischen den Polstücken und dem Kern 14 nach Einsetzen des Ankers in den Generator. Da die Platten 29 geringen magnetischen Widerstand haben, bilden sie vor dem Einsetzen in den Generator Rückschlußwege für die Magnete 10 und verhindem so ein wesentliches Nachlassen der magnetischen Kraft. Außerdem dienen diese Platten 29 als Nebenschlüsse bei Auftreten eines Kurzschlußstromes in der Spule 19, wie es im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben ist.

Claims

Patentansprüche:

ι. Wechselstromerzeuger mit Dauermagnetanker, insbesondere zur Übertragung einer Meßgröße, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer derart ausgebildet ist, daß die Feldlinien des Ankers bei dessen Umdrehung stets einen völlig geschlossenen, aber verschieden verlaufenden Rückschlußweg bei gleichbleibender Felddichte im Luftspalt vorfinden, so daß eine rechteckig verlaufende Wechselspannung entsteht und zyklische Abweichungen im Anker-Gegendrehmoment nicht auftreten können.
2. Wechselstromerzeuger nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ständerpolen vollständig umschlossene Ankerbohrung des Ständers über einen Teilumfang von 90⁰ durch die Endfläche eines Eisenkernes gebildet wird, auf dem die Spule sitzt.
3. Wechselstromerzeuger nach Anspruch

ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker ein abgeflachter Zylinder ist, dessen Breite der Breite des Spulenkernes entspricht.
4. Wechselstromerzeuger nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Blechen geschichtete Ständer einen.' Rahmen (12) mit nach'innen ragendem Vorsprung (14) bildet, der mit dem unteren Teil des Rahmens zusammen die Ankerbohrung begrenzt, und daß die Bleche einzeln mit ihrem Vorsprung nach Abspreizen des Rahmens in den Spulenkörper einzustecken sind (Fig. 8).
5. Wechselstromerzeuger nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (14) zwischen Vorsprüngen (27) des unteren Rahmenteiles liegt, so daß unterhalb der Spule ein quer über den Kern verlaufender magnetischer : Nebenschluß entstehen-kann (Fig. 7).
6. Wechselstromerzeuger nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker in Scheiben unterteilt ist, die abwechselnd aus Stahlmagneten von besonders hoher Koerzitivkraft und von diesen durch Zwischenräume getrennte Weicheisenscheiben bestehen, die beim Auftreten eines Kurzschlußstromes einen magnetischen Nebenschluß bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen