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Elektromagnetisches System mit einem Stator und einem Läufer Die Erfindung
bezieht sich auf ein eliektromagnetisches System mit einem. Stator und einem Läufer,
bei dem einer dieser.Teile ganz oder teilweise aus Magnetstahl besteht. Es wurde
festgestellt, daß bei bekannten Systemen dieser Type bei Verwendung eines modernen
anisotropen Magnetstahls mit einem (BH)." von wenigstens :2 500 000; z. B.- q.
000 ooo bis 5 ooo ooo, der Nachteil auftritt, daß der Arbeitspunkt des permanenten
Magneten auf der Entmagnetisierungskurve bei normalem Betrieb bereits nach einigen
Umdrehungen des Läufers großen Änderungen unterworfen ist, wodurch der Magnet nicht
mehr in dem beimEntwurf des Systems vorher gewählten Arbeitspunkt, vorzugsweise
in oder in der Nähe des (BH).",-Wertes, des Stahls bleibt, sondern seine Funktion
in einem anderen, weit davon entfernten Gebiet ausübt. Dieser Umstand hat eine wesentliche
Herabsetzung der Wirksamkeit des Stahls zur Folge.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß bei Verwendung
eines anisotropen Magnetstahls mit einem (BH),." von wenigstens a 5oo ooo, z. B.
q. 000 000 bis 5 ooo ooo, die Pole des Magneten in jeder Arbeitsstellung
des Läufers in bezug auf den Stator durch einen magnetischen Nebenschluß solcher
Form und Größe überbrückt sind, d'aß während des normalen Betriebes der bei dem
(BH).", gewählte Arbeitspunkt des, Dauermagneten auf der Entmagnetisierungskurve
sich nur wenig ändert.
Durch diese Maßnahme kann eine der hohen
Qualität des modernen Magnetstahls entsprechende Wirksamkeit auch bei einer angemessenen
Leistung aufrechterhalten werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß das sogenannte Kleben des Läufers
in bestimmten Stellungen in bezug auf den Stator wesentlich verringert ist.
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Ein elektromagnetisches System mit einem Stator und einem Läufer,
bei dem einer dieser Teile aus Magnetstahl besteht und die Pole des Magneten in
jeder Arbeitsstellung des Läufers in bezug auf den Stator durch einen magnetischen
Nebenschluß überbrückt sind, ist in Form eines Wechselstromerzeugers an sich bereits
bekannt. Bei der bekannten Einrichtung handelt es, sich aber um die Lösung einer
ganz anderen Aufgabe, nämlich um einen Wechselstromerzeuger, bei dem trotz der Verwendung
eines Dauermagneten eine weitgehende Genauigkeit, beispielsweise bei der Spannungserzeugung
einer rechteckig verlaufenden Wechselspannung, auch nach langem Gebrauch erhalten
bleibt. Es wird weiterhin besonders .darauf hingewiesen, daß die Anwendung des magnetischen
Nebenschlusses nur für die Spannungserzeugung von besonderem Vorteil ist, wobei
es: auf die Leistungsabgabe der Maschine nicht ankommt, z. B. bei Tacho@meterdynamos.
für elektrische Messungen, wo meist nur wenige Milliampere erforderlich sind, so
daß man zugunsten der Genauigkeit bei der Erzeugung der Wechselspannung auf besondere
Leistungshergabe verzichten kann. Hingegen erfordern beispielsweise Zündmagneten
im allgemeinen eine hohe Kraftabgabe, was eine Schwächung des Dauermagneten zur
Folge hat, so daß der eben beschriebene magnetische Nebenschluß in -diesem-Fall
nicht erwünscht ist, da er die Leistungsabgabe begrenzt.
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Die Form des bekannten Nebenschlusses war derart gewählt, daß er leicht
gesättigt wird, so. daß ein wesentlicher Fluß nicht über den Nebenschluß fließen
konnte.
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Zwar ist auch eine Ausführungsform angegeben worden, die einen Nebenschluß
größerer Abmessungen zeigt, aber in der zugehörigen Be-Schreibung ist die Anwendung
dieser Ausführung auf alle Fälle beschränkt, wo, ein Kurzschlußstrom oder ein: so
großer Belastungsstrom fließt, daß: ein weit übernormal großer Fluß in der Spule
hervorgerufen wird. Hierdurch könnten nämlich schädliche Wirkungen hervorgerufen
werden, die von der Umlaufgeschwindigkeit abhängig sind. Bei der betreffenden Ausführung
ist der Nebenschluß daher so breit gewählt worden, daß ein wesentlicher Teil des
Kraftflusses abgeleitet wird, sobald der Spulenstrom einen gewissen Normalwert überschreitet.
Unter normalen Bedingungen ist der magnetische Widerstand des Nebenschlusses, gegenüber
-dem des Statorkreises dagegen verhältnismäßig groß..
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Die Erfindung geht demgegenüber von. einer anderen Aufgabenstellung
und von anderen Erkenntnissen aus. In erster Linie handelt es sich nämlich keineswegs
um Maschinen für nur wenige Milliampere, bei denen auf Leistungsabgabe verzichtet
werden soll, sondern um Maschinen mit Leistungsabgaben, wie z. B. Fahrradlichtmaschinen
für 5oo mA. Weiterhin macht sich die schädliche entmagnetisierende Wirkung nicht
erst nach langem Gebrauch, sondern sofort nach einigenUmdrehungen des Läufers bemerkbar.
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Ferner ist es gemäß der Erfindung erwünscht, den Nebenschluß derart
zu bemessen, daß in demselben keine magnetische Sättigung auftritt. Und schließlich
sind die Abmessungen des Nebenschlusses erfindungsgemäß derart gewählt worden, daß
der Nebenschluß nicht erst arbeitet, wenn ein gewisser Normalwert des Spulenstromes
überschritten wird, sondern bereits unter normalen Arbeitsverhältnissen.
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Da bei zunehmender Koerzitivkraft die Magnetlänge und daher die magnetische
Streuung .stets geringer werden, würde man erwarten, daß je höher die Koerzitivkraft
ist, desto größer und daher nachteiliger auch die Entmagnetisierung ist. Es hat
sich aber ergeben, daß dies in erster Linie nicht maßgebend ist. So ist es z. B.
bei den normal üblichen Stahlsorten mit einer Koerzitivkraft von z. B-. 500 bis
iooo Örsted gar nicht notwendig, von der Erfindung Gebrauch zu machen, weil .die
Entmagnetisierungskurven solcher Stahlsorten im allgemeinen keinen steilen, sondern
einen mehr oder weniger flachen Verlauf aufweisen. Bei im Handel erhältlichen Fahrradlichtmaschinen
z. B., bei denen manchmal ein Stahl mit einer Koerzitivkraft von etwa iooo örsted
verwendet wird, tritt trotz der Tatsache, daß in denselben kein -magnetischer Nebenschluß
nach der Erfindung vorhanden ist, keine wesentliche Entmagnetisierung auf. Hierfür
hat sich dagegen.in erster Linie nur eine hohe Steilheit als wesentlich erwiesen.
Unter einer steil verlaufenden Entmagnetisierungskurve oder BH-Kurve wird hier eine
Kurve verstanden, deren Tangente des von der Berührungslinie mit der Kurve im Punkt
der Koerzitivkraft und der Abszissenachse gebildeten Winkels vorzugsweise größer
und sogar sehr viel größer als etwa 4o° ist. Magnetstähle mit einer derartigen.
Steilheit sind als anisotrope Magnetstähle mit einem (BH).", von wenigstens a- Soo
ooo, z. B. 4 000 000 bis 5 ooo ooo bezeichnet. In diesem Zusammenhang soll
noch bemerkt werden, daß bei den früher üblichen Stahlsorten, wie Chrom- und i Wolframstahl,
die eine sehr hohe Steilheit ihrer Entmagnetisierungskurve besitzen, -das Problem
nicht aufgetreten ist, da diese Stahlsorten mit einer sehr geringen Koerzitivkraft
eine sehr steile umkehrbare Perrneabiltätskurve aufweisen, so, daß der Arbeitspunkt,
auch durch die große magnetische Streuung infolge der großen Magnetlänge, sich nur
wenig ändert. Die Erfindung bezieht sich daher auch ausschließlich auf die modernen
anisotropen Stahlaorten mit einer wesentlich höheren Koerzitivkraft als a5o örsted.
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Auf Grund der obigen Ausführungen könnte man erwarten, daiß bei Bauarten,
bei denen in erster Linie die Leistung und nicht eine konstante Spannung wesentlich
ist, die Verwendung eines magnetischen Nebenschlusses mit Rücksicht auf die dadurc::
herbeigeführten
Verluste sehr nachteilig ist. Auch dies hat sich als unrichtig ergeben, da trotz
der Tatsache, daß ein magnetischer Verlust auftritt, der demgegenüberstehende Gewinn,
nämlich, daß, der Arbeitspunkt in dem einmal gewählten Gebiet der BH-Werte bleibt,
bei einer steilen Magnetisierungskurve so viel größer ist, daß dieser Verlust kein.j
Rolle spielt. Selbstverständlich soll der magnetische Kurz.schluß nicht so weit
durchgeführt werden, daß die Verluste unzulässig groß werden. Es sei weite: noch
bemerkt, daß es auch bekannt ist, einen kleinen magnetischen Nebenschluß in den
Fällen anzuwenden, wo es erforderlich ist, den Läufer in. jede"-Stellung anlaufen
zu lassen.
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Bei den modernsten anisotropen Magnetstahlsorten mit einer sehr steil
verlaufenden BH-Kurve und einem (BH)"" von wenigstens 2 5oo ooo; z. B. d. ooo ooo
bis 5 ooo ooo, kann ohne Anwendung de= Erfindung während der Bewegung des Läufers
im magnetischen Kreis schon nach einigen Umdrehungen eine solche Verschiebung des
Arbeitspunktes auftreten, daß das Produkt von Bund H im Arbeitspunkt statt z. B.
nahezu gleich dem als Arbeitspunkt gewählten (BH)."" nur noch gleich der Hälfte
oder einem Drittel desselben ist. Dies ist auch: der Grund, weshalb die praktische
Anwendung solcher Magnetstahlsorten bisher auf statische Bauarten von Magnetsystemen
beschränkt wurde, d. h. auf Bauarten, bei denen sich keine Teile des magnetischen.
Kreiseis bewegen und der äußere magnetische Widerstand sieh nicht ändert, wie z..
B. Magnetsysteme für elektrodynamische Lautsprecher u. dgl. Erst durch die erfindungsgemäße
Maßnahme wird es möglich, elektromagnetische Systeme, von denen ein Teil des magnetischen
Kreises beweglich ist und die in Form von kleinen Stromerzeugern und Motoren mit
Dauermagneten eine große Anwendungsmöglichkeit bieten, unter Beibehaltung eines
günstigen Arbeitspunktes und einer angemessenen Leistung mit dem modernsten Magnetstahl
zu versehen. Dies bedeutet dann: außerdem, daß wesentlich kleinere Abmessungen des,
Systems, als es bisher möglich war, erhalten werden.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme wird vorzugsweise bei elektromagnetischen
Systemen angewendet, die mit einem rotierenden Dauermagneten versehen sind, wie
z. B. Stromerzeuger und Elektromotoren, weil solche Maschinen meist zu den tragbaren
Typen gehören und ein bleibendes Arbeiten des Magneten im vorher gewählten günstigsten
Arbeitspunkt bei einer gleichfalls vorher gewählten Höchstwirksamkeit der Maschine
zu möglichst geringen Abmessungen bei einer bestimmten Leistung, führt. Als Beispiele
können Fahrrad-- und Handlichtmaschinen mit permanentmagnetischem Motor genannt
werden.
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Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, den magnetischen Nebenschluß
aus einer Anzahl mit den Stoßkanten gegeneinanderliegenden Lamellen zu bilden, so
daß die Luftspaltbreite auf ein Minimum reduziert wird.
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Bei elektromagnetischen Systemen, bei denen eine feste Beziehung zwischen
der Umdrehungszahl und der Klemmenspannung besteht, wie bei Motoren und Dynamos,
ist es in vielen Fällen erwünscht, daß bei Änderung der einen Größe die andere Größe
sic",: nur wenig ändert. Dies kann bekanntlich durch Streuung der magnetischen Kraftlinien
erhalten werden. Im vorliegenden: Fall erfolgt dies dadurch, daß die Streuung längs
des erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Nebenschlusses durch: eine geeignete
Wahl der Größe desselben bestimmt wird. Der Nebenschluß erfüllt in diesem Fall also
eine doppelte Funktion. Dies ist von besonderer Wichtigkeit für Stromerzeuger, bei
denen bei einer stark abweichendenUmdrehungszah.l und einer konstanten Belastung
eine sich nur wenig ändernde Klemmenspannung erwünscht ist, wie es z. B. bei Fahrrad-und
Handdynamos der Fall ist mit Rücksicht auf eine möglichst konstante Lichtausstrahlung.
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Beim Arbeiten des Systems als Stromerzeuger weist der Nebenschluß
bei geeignet gewählten Abmessungen noch den Vorteil auf, .daß die Kraftlinien der
bei Kurzschluß der Wicklung erzeugten verhältnismäßig hohen gegenmagnetomotorischen
Kraft praktisch nicht den Magneten durchlaufen, wodurch der Arbeitspunkt des Magneten
auf der BH-Kurve auch bei Kurzschluß sich nur wenig ändert, so. daß der Magnet nach
der Beseitigung des Kurzschlusses nahezu in demselben glewählte@n Arbeitspunkt seine
Funktion fortsetzen kann.
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Es ist erwünscht, den Nebenschluß derart zu bemessen, daß keine magnetische
Sättigung im Nebenschluß auftritt. Diese Bedingung wird bereits durch den Umstand
erfüllt, daß das Vorhandensein des Nebenschlusses eine Abflachung der Drehzahl-Klemmenspannungs-Charakteristik
zur Folge hat, wodurch eine gewisse Beschränkung des Kurzschluß-stromes erhalten
wird, der es möglich macht, zwischen den Bedingungen bezüglich des Kurzschlusses
des permanenten Magneten, der magnetischen Streuung und der Nichtsättigung des Nebenschlusses
ein Kompromiß zu schließen.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Fig. i zeigt schematisch eine bekannte Bauart eines Stromerzeugers.
Der Läufer i aus Dauermagnetstahl mit den Polen 2 und 3 ist im aus Lamellen aufgebauten
Stator .4 angebracht, auf den die Spulen. 5 und 6 aufgewickelt sind. Die BH-Kurve
des für den Läufer i aus Fig. i verwendeten Magnetstahls ist in der Fig. 2 mit i
i und der vorher gewählte Arbeitspunkt, vorzugsweise das (B'H)max des Stahls, etwa
2-oooooo, mit 12 bezeichnet. Durch die entmagnetisierende Wirkung, welche bei Drehung
des Läufers infolge des Passierens eines. der Luftspalte 7 bis io auftritt, verschiebt
sich der Arbeitspunkt z. B. nach dem Punkt 13. Nachdem der Läufer einen. Luftspalt
passiert hat, wird der Weg für die Kraftlinien des Magneten bei weiterem Drehen
durch den Kreis wieder mehr geschlossen, so daß der Arbeitspunkt des Magneten nicht
wieder nach Punkt 12 der BH-Kurve kommt, sondern nach Punkt 14 der , Linie o-i2,
de, er sich längs der Kurve der umkehrbaren
Permeahilität
bewegt. Beim normalen Betrieb des Stromerzeugers, d. h. bei einem sich ununterbrochen
drehenden Rotor, durchläuft der Arbeitspunkt des Magneten also periodisch die Strecke
13-z4 Zwar tritt in diesem Fall Entmagnetisierung auf; wodurch das Produkt von B
und H an. allen Punkten der durchlaufenen Strecke niedriger als-das (BH).", ist
und die Wirksamkeit des Stahls nicht so groß wie möglich ist, aber es hat sich ergeben,
daß die .Anwendung der erfindungsgemäßen. Maßnahme hier wenig zweckmäßig ist, .da
der Gewinn infolge des Umstandes, daß mit der Erfindung ein im Wesen konstanter,
günstiger Arbeitspunkt des Magneten erhalten werden kann, den durch den magnetischen
Nebenschluß infolge, des teilweisen Kurzschlusses des Magneten auftretenden Verlust
nicht aufwiegt.
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Bei Verwendung einer modernen Stahlsorte. mit einer BH-Kurve, welche
z. B. gemäß der Kurve 15 verläuft, in der also eine hohe Steilheit eine angemessene
Koerzitivkraft zeit sich bringt, wurde überraschenderweise eine derart große Beziehungszahl
zwischen Gewinn und Verlust festgestellt, daß die magnetische: Leistung des Magneten
z. B. um einen Faktor :2 oder 3 zunimmt, was im nachfolgenden noch näher erläutert
wird.
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Als Beispiel eines solchen Stahls kann eine 13,5 11/a Ni, 8
0/11, Al, 240/0 Co und 3 0/11 Cu mit Verunreinigungen enthaltende Eisenlegierung
genannt werden, die während der durch die Härtung erforderlichen Abkühlung dem Einfluß
eines Magnetfeldes unterworfen ist. Ein Gußstück einer derart behandelten Legierung
weist nach der Ma:gnetisierun;g in der Richtung, in der das Magnetfeld während der
Härtung angelegt war, ein (BH),., von etwa q. 8o0 öoo auf.
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Auch mit anderen Zusammensetzungen auf der Ni-AI-Co-Basis sind auf
diese Weise besonders hohe (BH) .",-Werte von mehr als 2 500 000 zu erhalten.
Solche Ergebnisse können im allgemeinen mit 12 bis 2o11/@ Ni, 6 bis 110/@o Al und;
16 bis 3011/o Co enthaltenden Legierungen erhalten werden. Es ist aber einleuchtend,
d'aß die Erfindung nicht auf die Anwendung dieser Stahlsorten beschränkt ist, sondern
in Verbindung mit jeder praktisch brauchbaren Stahlsorte mit einer steil verlaufenden
BH-Kurve anwendbar ist, und zwar mit um so mehr Vorteil, je höher das (BtH)"ax ist
und je größer die Steilheit der BH-Kurve ist.
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Der in der Fig. 2 dargestellte :moderne Magnetstahl besitzt ein (BH)",.,
von etwa 4810o000 im Punkt 16. Wird dieser Punkt beim Entwurf der Maschine als Arbeitspunkt
-gewählt, so ergibt sich ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Nebenschlusses eine
so. große Verschiebung des Arbeits.-punktes längs der Ordinatenachse, daß der mit
der Verwendung eines solchen hochwertigen Stahls verbundene Vorteil praktisch ganz
verschwindet. An Hand von Versuchen wurde festgestellt, daß es sogar vorkommt, daß
der Arbeitspunkt sich während des normalen Betriebes periodisch längs -der Linie
z7-18 bewegt, d. h. längs einer Linie, von der in allen Punkten das Produkt der
zugehörigen Werte von B und H niedriger ist als das (BH)"", des schlechteren Stahls-
mit einer BH-Kurve gemäß der Kurve i 1.
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In der Fig.3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Maschine in Form
eines Stromerzeugers dargestellt. Die entsprechenden Teile sind mit den gleichen
Bezugszeichen wie in Fi:g. i bezeichnet. Wie Fig. 3 zeigt, sind sowohl die größten
Spalte 8 und 1o aus Fig. i, welche bei der Verwendung eines Stahls mit einer steilen
BH-Kurve in erster Linie den obergenannten Nachteil der Entmagnetisierung herbeiführen,
als, auch die kleineren Spalte 7 und g durch einen magnetischen Nebenschluß, die
Teile 19 bis 22, ersetzt, welche die Pole 2, 3 des Rotors i in jeder Stellung überbrücken.
Der magnetische Widerstand des Nebenschlusses ist derart gewählt, daß bei einer
vollen Umdrehung des Rotors der Arbeitspunkt auf der B.H-Kurve des dazu verwendeten
Magnetstahls sich nur wenig ändert. Von den zu stellenden Bedingungen hängt es ab,
welche Änderungen des Arbeitspunktes auf der BH-Kurve, unter anderem mit Rücksicht
auf die auftretenden magnetischen Verluste durch den Nebenschluß, die Steilheit
der BH-Kurve, dien Zweck und die Wirkung der Maschine usw., noch für zulässig zu
halten sind. Im dargestellten Fall, wo -der den Läufer umgebende Nebenschluß mechanisch
ein geschlossenes Gebilde darstellt und beil2o und 22 eine minimale Spaltbreite
verwendet ist, ist es möglich, den Arbeitspunkt nahezu konstant zu halten und gleichzeitig
eine solche Abflachung -der Drehzahl-Klemmenspannungs-Charakteristik zu erhalten,
daß der Stromerzeuger als Fahrrad- oder als Handlichtmaschine geeignet ist. Außerdem
tritt dadurch, auch bei Kurzschluß der Wicklung, keine nennenswerte Entmagnetisierung
des permanenten Magneten auf. Bev einer zulässig geringen Änderung des Arbeitspunktes
können im Nebenschluß schmale Spalte vorkommen, z. B. zwischen den Stoßkanten bei
2o und 22 zwischen den Blechen, aus denen .der Stator aufgebaut ist. Diese Spalte
dürfen. andererseits, aber auch nicht zu breit und ,die Abmessungen des Materials
an diesen Stellen nicht zu klein gewählt werden, da sonst bei horizontaler Stellung
des Läufers; i eine zu große entmagnetisierende Wirkung infolge der Luftspalte und
der die Spulen 5 und 6 enthaltenden Räume auftritt.