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Polsystem der Klauenpoltype für elektrische Maschinen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Polsystem für elektrische Maschinen, .insbesondere
für Wirl>elstromdvnamometer, -bremsen, -kupplungen od. dgl., die einen induzierten
Teil, eine kreisringförmige Feldspule und die Spule umgebende magnetische Polringe
nach Art der sog. Klauenpoltyl>e aufweisen.
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Polringe mit sich überlappenden oder sich versetzt gegenüberstehenden
Zähnen haben die Eigenheit, claß sie wegen des 'hohen Streuflusses nicht mit hohen,
gleichmäßigen Kraftliniendichten über den dem induzierten Teil, im folgenden Induktionsring
genannt, gegenüberstehenden Flächen arbeiten. Die vorliegende Erfindung zeigt, wie
sich versetzt gegenüberstehende Gürtel von Polzähnen geometrisch geformt werden
müssen, um im wesentlichen auf der ganzen dem Induktionsring gegenüberstehenden
Zahnfläche eine gleichmäßige Kraftlinienverte,ilung hoher Dichte, und zwar vorzugsweise
nahe an der Sättigungsgrenze, zu erreichen.
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Die Erfindung besteht aus einem Polaufbau mit giegeneinandergerich@teten,
sich versetzt gegenüberstehenden Polzähnen nach Art der Klauenpoltype, die sich
von den magnetischen Polringen quer über die Spule erstrecken und deren Polflächen
über die ganzen Polflächen weg ,in einem vorbestimmten konstanten Abstand von dem
Induktior #sring liegen. Jeder Polring hat zwischen seinen @ohähnen Vertiefungen,
deren Kehlen in Größe vom Kopf des Zahnes nach dem am Polring liegenden Fuß hin
sowie in Richtung dies gegenüberliegenden Polzahnes zunehmen. Jeder Polzahn; der
in axialer
Richtung von seinem Fußteil, weg in den Ring spitz zuläuft,
'hat an jedem Punkt als Querschnitt eine mehrseitige Figur, die an der Zahnwurzel
die Form eines Trapezes hat, bei dem die kürzere Seite der beiden im wesentlichen
parallelen Seiten dem Induktionsring gegenüberliegt, während an dem Zahnkopf dem
Induktionsring die längere Seite gegenüberliegt, wobei der Übergang von der einen
Querschnittsfigur zur anderen stetig erfolgt.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen
ist Fig. i ein Längsschnitt durch passende Teile eines Polsystems nach der-Erfindung,
Fig. 2 eine Abwicklung der in Fig. i gezeigten, sich versetzt gegenüberstehenden
Zähne und Polringe, wobei der in Fig. i dargestellte Induktionsring weggelassen
ist, Fig. 3 eine der Fig. i entsprechende Ansicht, zeigt jedoch einen radialen Schnitt
durch einen Zahn einer Seite eines Ringes; Fig. 4 bis 9 sind Einzelteilschnitte
nach den Linien :I-.I, 5-5, 6-6, 7-7, 8-8 bzw. 9-9 der Fig. 2 und 3 ; Fig. io bis
12 sind Teilschnitte nach dien Linien 10-i0, i i-i i bzw. 12-12 der Fig. i, und
Fig. 13 ist eine Endansicht eines Zahnes, gesehen von rechts in Fig. 3, wobei die
Riß- oder Umrißlinien, die den in den Fig. d bis 9 gezeigten Querschnitten entsprechen,
ersichtlich sind.
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In Fig. i ist mit i ein homogener Induktionsring einer Wirbelstrommaschine
bezeichnet. Bei einer Schlupfkupplung kann es der treibende oder getrielyeiie Teil
und' hei einer Bremse oder einem Dynamometer der Rotor oder der Stator sein. 3 J
ist eine kreisringförmige Feldspule in einem zylindrischen magnetischen Teil s.
An gegenüberliegenden Seiten der Spule 3 sind am Teil 5 die magnetischen Ringe 7
und 9 befestigt, die mit den sich versetzt gegenüberstehenden magnetischen Polzähnen
i i bzw. 13 ausgerüstet sind. Diese Zähne mit den Ringen bilden den Gegenstand der
I rfindung. Die Ringe 7 und 9 sind an dem Teil 5 durch Anschweißen oder auf andere
Weise befestigt. Das aus der Spule, den Ringen und dem zylindrischen Teil gebildete
Polsystem dreht sich als eine Einheit und kann, wenn die Vorrichtung eine Sclilupfkupplung
ist, der treibende oder getriebene Teil und, wenn die Vorrichtung eine Bremse oder
ein Dynamometer ist, der umlaufende oder der feststehende Teil sein. Einzelheiten
der Dreh- und anderen Lager für jeden Aufbau .der relativ zueinander umlaufenden
Aufbauten sind nicht näher dargestellt, da diese Lagerungen bekannte Teile sind,
auf die sich die Erfindung nicht bezieht.
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Die Ringe 7 und 9 tragen ihre Polzähne i i bzw. 13 mit Abständen auf
dem Umfang herum. Die Zähne ,,erstrecken sieh in entgegengesetzten Richtungen und
überlappen sich, in Umfangsrichtung um die Spule 3 (Fig. 2) herum gesehen. Auf diese
Weise schließt das durch die Spule 3 erzeugte Kraftlinienfeld einen Kreis, der durch
den magnetischen zylindrischen Teil s, den magnetischen Ring 7 und den Zahn i i,
dann in den Induktionsring i hinein, dann aus dem Induktionsring i in die Polzähne
13 hinein und weiter durch dien Ring 9 zurück zum Teil 5 verläuft. Die Reihenfolge
dieses Kreises kann auch umgekehrt werden. Ein Satz von Polzähnen, z. B. die Polzähne
i i, nehmen eine Polarität (z. B. Nordpol) an, und der andere Satz vors Zähnen 13
nimmt die entgegengesetzte Polarität (in dem gewählten Falle. Südpol) an. Die Polzähne
konzentrieren den Kraftfluß, so daß, sobald das Kraftlinienfeld auf Grund der Relativbewegung
den Induktionsring i bestreicht, Wirbelströme. in dem Induktionsring auftreten,
woraus ein magnetisches reaktives Antriebsmoment resultiert. Dies wird entweder
benutzt zum Antrieb des Ringes i durch die umlaufenden Zähne oder umgekehrt.
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Ehe der magnetische Kraftfluß einen Punkt erreicht, wo er diejenigen
Flächen der Zähne i i und 13 verläßt, die dem Induktionsring i gegenüberliegen (vgl.
die Zahnkopfflächen in Fig. 2), erfolgt eine Streuung des magnetischen Kraftflusses.
Dieser Streufluß geht für den Übertritt zum Induktionsring verloren. Der Zweck der
besonderen Form der hier nachstehend beschriebenen Zähne ist, zu erreichen, daß
der nach Abzug .der Streuung verbleibende magnetische Kraftfluß, der aus den Aachen
der Zähne i i und 13, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, austritt, möglichst groß und,
gleichmäßig verteilt durch diese Flächen tritt.
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Um diesen Zweck zu ereichen, sind die Ringe 7 und 9 derart abgeschrägt,
daß sie sich in radialer Richtung gegen die Polzähne hin verbreitern, wie bei 15
dargestellt. Die allgemeine Form jedes Polzahnes i i und 13 entspricht etwa einem
Amboß mit einem Fuß 17 und einem Horn i9. Da die beiden gezahnten Ringe 7 und 9
gleich sind, wird, wenn nichts anderes bemerkt ist, nur ein Ring beschrieben. Ring
7 zeit den Zähnen i i ist zu diesem Zweck gewählt. Da alle Zähne gleich sind, wird
nur ein Zahn im einzelnen beschrieben.
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Der Fuß 17 besteht mit dem Ring 7 aus einem Teil. Vertiefungen 21
sind im Ring zwischen den Zähnen an den Stellen gebildet, wo die Zähne in den Ring
übergehen. Jede Vertiefung hat eine Kehle von Hohlkegelform, deren Grundlinie d'urc'h
die gerade Linie 23 in Fig. i dargestellt ist und derenKrümmungsradien allmählich
von derAußenseite des Ringes nach der Innenseite zu zunehmen, wie bei R .4 und R
5 in Fig. q bzw. Fig. 5 dargestellt ist.
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Die dargestellten Schnitte stehen senkrecht zur Achse des zugehörigen
Ringes. Es ergibt sich eine kegelartige Sattelform für die Kehle jeder Vertiefung
21 im stärksten Teil des Ringes 7. Diese Sattelform erweitert sich nach der Spule
3 zu. Die Seitenflanken jeder Vertiefung, die die angrenzenden Seiten der angrenzenden
Zähne bilden, werden in aufeinanderfolgenden Ebenen durch gerade Rißlinien gebildet,
die vom Fuß 17 zum Kopf i9 hin aufeinander folgen. Nach dem Verlassen der Vertiefungen
reihen sich die Linien oder Rißlinien bis zu den Fl,nden der Zähne aneinander. Diese
Linien
sind bei 25, 27, 29, 30, 31 und 33 in den F ig. 4 bis 9 sowie in den anderen Figuren,
in denen sie erscheinen, gezeigt. In Fig. 13 beispielsweise sind diese Linien als
Umrißlinien, vom Ende des Zahnes aus gesehen, dargestellt. Alle Rißlinien außerhalb
der Linie 29, die in der Innenebene des Ringes liegt, sind Tangenten zu den erwähnten
Kreisen von zunehmenden Radien des Kegelbodens der Vertiefung 21 (vgl. auch Fig.
4, 5, io und 13). Die IZißlillie 25 an der Außenseite des Ringes liegt unter einem
Winkel von annähernd 45° (positiv genommen) zu einer 1Zadialebene L-L durch die
Achse des IZiliges (vgl. Fig. 4). Die Rißlinie 33 (Fig.9) liegt unter einem negativen
Winkel von 45° mit Bezug auf die gleiche Ebene L-1_. Die Rißlinietl27, 29,
30 und 31 (Fng.5 bis 8), die zwischen den äußersten Rißlinien 25 und
33 liegen, halten allmählich abnehmende positive und schließlich zunehmende negative
Winkel von Rißlinie 25 bis zur Rißlinie 33. Die senkrechten Rißlinien oder senkrecht
stehenden Rißlinien der Seiten der amboßförmigen Zähne bilden auf diese Weise eine
verwundene oder gedrehte Oberfläche, die die Kanten dieser Zähne darstellt. Unter
senkrechten Rißlini-en sind Linien zu verstehen, die in Ebenen liegen, die im rechten
Winkel zur oder senkrecht auf der .Achse des Ringes stehen. Die Drehung oder der
Drall verläuft von einer positiven Richtung im Fuß zti einer negativen Richtung
im Kopfende des "Zahnes. Die erhaltene gewundene Oberfläche im Bereich des Fußes
ist stets tangential zu den senkrechten Kreisen der Kegelform des Unterteiles der
angrenzenden Vertiefung. Aus dem Obigen wird ersichtlich, daß eine dieser Rißlinien,
nämlich die Linie 30, fast unter dem Winkel Null mit Bezug auf die Ebene !_-L (Fig.
7, 12 und 13) stellt, wodurch praktisch gerade außerhalb des Ringes 7 ein Querschnitt
in Form eines Vierecks für den Zahn entsteht. Der Boden des Zahnbereiches wird an
dieser Stelle durch eine gerade Linie 35 gebildet. Die Kopflinien sind fast gerade
verlaufende Linien, abgesehen von der kleinen Krümmung, die an der Oberfläche .des
Zahnes vorgesehen wird, all der der Zahn dem Induktionsring gegenüberliegt.
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Zusätzlich zu dem Merkmal, daß jeder Zahn gedrehte oder gewundene
Seiten hat, ist das Merkmal, daß der Boden des Zahnes, hier allgemein mit 37 bezeichnet,
vom Fuß zum Ende des Zahnes hin abgeschrägt ist. Die Abschrägung auf dem Boden erfolgt
in- zwei Abschnitten S' und S2 (Fig. 3). Aufeinanderfolgende Rißlinien, die die
Böden von :Vlschliitt S' bilden, sind in den Fig. 6, 7 und 8 als Linien 39, 41 bzw.
43 gezeigt. Fig. 12 zeigt auch die Rißlitlie 41. Diese Rißlinien sind gerade oder
fast gerade und bilden praktisch eine Schrägebene im Abschnitt St. Der zugeschrägte
Abschnitt S2 hat eine steilere Neigung als der Abschnitt S' und bildet das 1-Forn
des Ambosses oder das Ende des Zahnes. Die Linien 4@ und 47 der Fig. 9 und to befinden
sich in diesem Abschnitt. Auch die Kanten 5l des Zalities oberhalb des Abschnittes
St laufen etwas spitz zu, und diese Zuspitzung wird#auf etwa 15° für die oberhalb
des Bereiches S2 (Fig. 2) liegenden Kanten 53 erhöht: Die Enden 49 dfer Zähne sind
abgeflacht.
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Der Zweck der Ausbildung der Vertiefungen 21 und der Zähne i i in
der. offen beschriebenen Weise ist, Querschnitte X-Y und X-Z (Fig. 3) für den magnetischen
Kraftfluß von ungefähr konstanter Fläche in dem Fuß 17 mit senkrechten Schnitten
durch die Zahnverlängerungen (z. B. Schnitte 6-6, 7-7, 8-8 und 9-9, Fing. 3) mit
allmählich abnehmender Kraftflußübertragungsfläche zu schaffen. Auf diese Weise
wird die Kraftflußstreuung bis zu derjenigen Stelle gering gehalten, an der der
magnetische Kraftfluß in den eigentlichen Zahn eintritt. Von 'hier aus gehen nun
teilweise Kraftflußteile als Streufluß zum benachbarten Zahn oder treten als Nutzfluß
zum Induktionsring über. Die magnetischen Abschnitte für den magnetischen Kraftfluß,
der für den Rest des Zahnes bestimmt ist, sind so verkleinert, daß eine konstante
Kraftliniendichte je Flächeneinheit der Zahnfläche bis zu ihrer Endspitze aufrechterhalten
wird. Die Dichten können für das besondere Material, aus dem die Ringe und die Zähne
gebildet sind, -durch genügende Erregung der Spule 3 bis nahe der Sättigungsgrenze
gehalten werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Kanten angrenzender Zähne, wenn
von ihren inneren Flächen aus gesehen, auf eine lange Strecke mehr oder weniger
parallel verlaufen, und daß, was gleichfalls wichtig ist, dieser im wesentlichen
parallele Verlauf an den Zahnseiten beibehalten wird; da die verwundene Seite eines
Zahnes die Umkehrung zu der verwundenen Seite .des angrenzenden und in entgegengesetzter
Richtung sich . erstreckenden Zahnes ist. Aus Fig. i ist auch erkenntlich, daß eifit
im wesentlichen paralleler Verlauf zwischen dem Boden jedes Zahnes und der Bodengrundlinie
23. jeder kegelförmigen Vertiefung bestellt. Auf diese Weise ist die Vertiefung
am Fußteil jedes Zahnes das negative Gegenstück zu dem Kopfteil jedles Zahnes, jedoch
in einem Abstand davon gelegen, wodurch ein ziemlich konstanter Streuungsabstand
über die ganze Zahn- und Vertiefungsfläche beibehalten wird. Jede auftretende Streuurig
zwischen den Zähnen ist also über die ganze Länge der Zähne mehr oäler weniger gleichförmig.
Dies macht den Entwurf von senkrechten Querschnitten jedes Zahnes vom Fuß bis zum
Kopf möglich, die die hohe Kraftliniendtichte beibehalten, die aus dem Fuß austritt
und in den Induktionsring mit einem im wesentlichen konstanten Wert über die ganze
Zahnlänge eintritt. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile eines Kraftlinienfeldes
von gleichmäßigem und hohem oder gesättigtem magnetischem Kraftfluß von der ganzen
Zahnfläche in den Induktionsring hinein zu erzielen, was bisher mit sich überlappenden
oder sich versetzt gegenüberstehenden Zähnen nicht ereicht werden konnte.
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Wenn auch der Induktionsring i innerhalb der sich versetzt gegenüberstehenden
gezahutenRinge7 und 9 dargestellt ist, kann der Induktionsring i auch außerhalb
und der Ring 5 innerhalb liegen,
wobei dann die Zähne ii und 13
auf der Außenseite der Spule .sich befinden. Sie können auch auf einer Seite mit
dem Induktionsring axial dazu gelegen sein. Dies würde eine reine Umkehrung sein,
die keiner weiteren Beschreibung bedarf.
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Wenn auch die Bögen, wie sie bei R4 und R5 dargestellt sind, Kreisbögen
sind, so liegt die Verwendung gleichwertiger Kurven innerhalb der Lehren der Erfindung.
An Stelle der vorzugsweise verwendeten geraden Rililinien für die Drallfolge der
Rißlinien 25 bis 33 können ähnliche Linien in einer gewundenen Anordnung verwendet
werden. Die Linien in den Fußteilen des Zahnes sind tangentdal zu den Bogenlinien
in der Kehle der Vertiefung, wie ausgeführt.
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Da eine gleichmäßige Kraftliniensättigung über die ganzen dem Induktionsring
i gegenüberstehenden Zahnflächen erwünscht ist, sollen mit der Erfindung diejenigen
Fälle erfaßt werden, bei denen die Kraftliniendichte hoch, wenn nicht überhaupt
fast an der Sättigungsgrenze ist, wobei eins der Kennzeichen der Erfindung darin
besteht, die Gleichmäßigkeit der Kraftliniendiohte auf der ganzen Zahnfläche beizubehalten.
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Gemäß der Erfindung hat also jeder Zahn einen Fußteil an seinem Ring,
dessen senkrechte Querschnitte die größere Gruppe von symmetrischen Vierecken od.
dgl. umfassen, die mit ihren kurzen Seiten dem Induktionsring gegenüberliegen, und
dessen Kopfteile die Gruppe von kleineren Vierecken od. dgl: umfassen, die mit ihren
langen Seiten dem Induktionsring gegenüberliegen. Die Vertiefungen in den Ringen
sind 'halbkegelförmig. Die schmaleren Seiten der kleineren Vierecke liegen neben
den Einkehlungen der Vertiefungen.