DE660291C - Wechselstromerzeuger mit Dauermagnetanker, insbesondere zur UEbertragung einer Messgroesse - Google Patents
Wechselstromerzeuger mit Dauermagnetanker, insbesondere zur UEbertragung einer MessgroesseInfo
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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.
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 (6)
- 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 Anspruchι 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
Applications Claiming Priority (1)
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US691309A US1980808A (en) | 1933-09-28 | 1933-09-28 | Alternating current generator |
Publications (1)
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---|---|
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Family
ID=21932533
Family Applications (1)
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Country Status (3)
Country | Link |
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