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Mittelfrequenz-Synchronmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine
Mittelfrequenz-Synchronmaschine mit Außenläufer und Dauermagneten und hat im wesentlichen
eine Bauart derartiger Maschinen zum Gegenstand, durch die es ermöglicht wird, derartige
Maschinen mit Leistungen bis in die Größenordnung von Ioo kVA zu bauen. Moderne
Magnetmaterialien weisen pro Zentimeter Magnetlänge eine gleiche Zugkraft wie ein
Elektromagnet mit etwa 4oo bis 5oo Ampere-Windungen auf, so daß ihre Verwendung
vor allem dann besonders wirtschaftlich ist, wenn die Polteilung so klein ist, daß
der erforderliche Ampere-Windungsbelag durch die sonst übliche, den Einzelpolen
zugeordnete Erregerwicklung überhaupt nicht mehr aufgebracht werden kann und Sonderkonstruktionen,
wie beispielsweise die Gleichpoltypen, verwendet werden müßten. Da das zur Herstellung
von Hochleistungsmagneten verwendete Material nur eine geringe mechanische Festigkeit
besitzt, äußerst spröde ist und auf Zug nur sehr schwach beansprucht werden darf,
wird eine Zugbeanspruchung des Magnetmaterials durch Verwendung der an sich bekannten
Außenläuferanordnung, wobei die einzelnen Magnete am äußeren Jochring abgestützt
und daher praktisch nur auf Druck beansprucht werden, vermieden.
Die
Erfindung besteht nun im wesentlichen darin, daß der das magnetische Schlußjoch
tragende Außenläuferkörper mit einem Käfig aus elektrisch gut leitendem Material
versehen ist, der als elektrischer Dampferkäfig wirkt und gleichzeitig als mechanische
Halterung -und Distanzierung der Dauermagnete ausgebildet ist. Durch die
Anordnung des Dampferkäfigs werden schädliche Rückwirkungen der vom Ständer her
wirksamen Gegenampere-Windungen, die sonst die Remanenz der Magnete herabsetzen
und eine gute Ausnutzung der von dem Magnetmaterial an sich zur Verfügung stehenden
AW/cm verhindern würden, vermieden bzw. weitgehend abgeschwächt. Wie Versuche gezeigt
haben, läßt sich bei einer derartigen Ausführung mit I cm breiten und 2½ cm hohen
Polen aus Magnetmaterial am Ständer ein praktisch ausnutzbarer Strombelag von etwa
2oo A/cm selbst bei rein induktiver Belastung (also ohne Stützung der Erregung durch
kapazitive Verbraucher) erreichen.
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Weitere Einzelheiten und konstruktive Ausbildungsmöglichkeiten des
Erfindungsgegenstandes gehen aus der Zeichnung hervor, in der der Erfindungsgegenstand
beispielsweise veranschaulicht ist. Es zeigen Fig. I und 2 eine Mittelfrequenz-Synchronmaschine
im Längsschnitt und in Rückansicht, Fig. 3 die Maschine gemäß Fig. I mit einer Magnetisierungsvorrichtung
zum nachträglichen Aufmagnetisieren der Einzelpole, Fig. 4 eine gegenüber der in
den Fig. I bis 3 gezeigten Maschine etwas abgeänderte Mittelfrequenz-Synchronmaschine
ebenfalls im Längsschnitt, Fig. 5 und 6 den Außenläufer einer Mittelfrequenz - Synchronmaschine,.
bei welcher der Dampferkäfig in das Außenläuferpolrad eingegossen ist, im Längsschnitt
und in Rückansicht, Fig. 7 und 8 einen Außenläufer mit einem als zwischen den Magneten
mäanderartig eingefädelte Leiterlitze ausgebildeten Dampferkäfig im Längsschnitt
bzw. im Querschnitt während der Herstellung, Fig. 9 einen Teil des Polrades der
Maschine gemäß Fig. 7 und 8 mit dem die Pole mäanderförmig umschließenden Litzenleiter
in abgewickelter Darstellung und Fig. Io einen Querschnitt gemäß Fig. 8 nach der.
Fertigsfellung des Polrades.
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Bei der Ausführung nach den Fig. I und 2 ist eine vorzugsweise aus
Bronze oder Leichtmetallguß hergestellte Glocke 3 vorgesehen, die gleichzeitig die
Funktion der Halterung und Distanzierung der Einzelmagnete und die eines Dampferkäfigs
übernimmt. Diese Glocke 3 ist über ihre Nabenscheibe und eine Nabe mit der Welle
4 verbunden. Auf den Außenumfang der Glocke wird das magnetische Schlußjoch 2 aufgepreßt
oder aufgeschrumpft. In diesem Bereich ist die Glocke mit Schlitzen zur Aufnahme
der als Pole dienenden Einzelmagnete I versehen. Diese Schlitze werden im Teilfräsverfahren
hergestellt und gewährleisten gleichzeitig eine genaue und dauernd eingehaltene
Polteilung. Die Magnete I werden gegenüber der Fliehkraft ausschließlich durch das
Joch 2, an das die Magnete I nur angeschoben werden, abgestützt. Die beim Betrieb
auf das Magnetsystem wirksam werdenden Tangentialkräfte werden zum Großteil durch
die Reibung zwischen den Magneten I und dem Joch 2 aufgenommen. Eine sichere Aufnahme
dieser Tangentialkräfte ist außerdem durch die Glocke 3 gesichert. Je zwei Stege
7 der Glocke 3 bilden zusammen mit der Nabenscheibe und einem hochgezogenen Wulstring
5 eine jeden Magnet umschließende Kurzschlußwindung (Dampferwicklung), durch die
eine zu starke Rückwirkung der von der Ständerwicklung her wirksam werdenden Gegenampere-Windungen
auf die Magnete verhindert und damit die Aufrechterhaltung des Magnetismus gewährleistet
wird. Der Wulstring 5 ist radial nach außen gezogen, so daß die Magnete leicht parallel
zur Maschinenachse eingeschoben werden können. Zur Fixierung der Magnete in der
genau richtigen Stellung weist die Nabenscheibe bearbeitete Flächen auf, und es
ist ein Sprengring 6 vorgesehen, der die Magnete in den Schlitzen der Glocke 3 festhält.
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Bei der Konstruktion gemäß Fig. I werden die fertig magnetisierten
Einzelmagnete nachträglich in die Schlitze der Glocke eingeschoben, da das in Frage
kommende Magnetmaterial zu seiner Magnetisierung einen Aufwand von etwa 2ooo bis
3ooo AW/cm erfordert, der im allgemeinen (nicht einmal kurzzeitig) durch die Arbeitswicklung
des Generators nicht aufgebracht werden kann. Überdies erschwert die für den Betrieb
wichtige Dampferwicklung eine Magnetisierung mit kurzen Stromstößen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch möglich,
auf die Einzeleinschiebbarkeit der Magnete zu verzichten und die Magnetisierung
sämtlicher Pole im eingebauten Zustand mit einem einzigen Arbeitsgang zu erzielen.
Dies wird dadurch ermöglicht, daß nur die Hälfte der Pole als Permanentmagnete ausgebildet
werden, während die übrigen Pole aus Weicheisen hergestellt werden. Wie in Fig.
3 dargestellt; werden dabei sämtliche Pole zunächst in die entsprechenden Schlitze
der Glocke 3 eingeschoben, worauf eine Ständer und Läufer umgreifende toroidförmige
Magnetisierungsvorrichtung, die mit einer ringförmigen Spule 8 versehen ist, aufgebracht
wird und durch Gleichstromspeisung der Spule 8 sämtliche Pole (also sowohl die aus
Magnetmaterial als auch die aus Weicheisen hergestellten), gleichsinnig magnetisiert
werden. Nach Abschalten der Spule 8 bzw. Wegnahme der Magnetisierungsvorrichtung
behalten die aus Magnetmaterial hergestellten Pole. ihren Magnetismus und ihre Polarität,
während sich der Magnetismus in den Weicheisenpolen umkehrt, so daß sich die für
den Betrieb erforderliche, von Pol zu Pol wechselnde Flußrichtung einstellt. Da
es zufolge dieses Magnetisierungsverfahrens nicht mehr erforderlich ist, die Magnete
nachträglich von der Seite her in die Maschine einzuschieben, kann, wie in Fig.
4 dargestellt, die Glocke 9
mit den Dämpferstäben IO bzw. mit ihrem
Hauptquerschnitt ganz nahe an den Luftspalt heranreichen, wodurch die Dämpferwirkung
erhöht und verbessert wird.
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Da die Herstellung der Dämpferkäfigglocke mit abnehmender Polteilung
immer schwieriger und umständlicher wird, werden gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung in solchen Fällen der Außenläufer und der Dämpferkäfig gesondert hergestellt,
wobei der Außenläufer die Permanentmagnete in radialer Richtung abstützt, während
der elektrische Dämpferkäfig gleichzeitig als mechanische Halterung und Distanzierung
der Magnete am Umfang ausgebildet ist. Derartige Konstruktionen sind in den Fig.
5 bis IO dargestellt.
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Bei der Ausbildung nach den Fig. 5 und 6 sind in den Stahlring II
des Außenläufers Magnete I2 als Einzelpole eingesetzt. Um das Einsetzen der Einzelpole
in der richtigen Teilung zu erleichtern, sind ein entsprechend gezahnter, auf die
Welle aufschiebbarer Stützkörper I3, der nachträglich wieder entfernt werden kann,
und ein Stützring 14 vorgesehen. In das so vorbereitete und etwas angewärmte Außenläuferpolrad
wird im Schleudergußverfahren ein Leichtmetall- oder Bronzekäfig I5 nachträglich
eingegossen. Dabei muß auf entsprechende Steuerung des Temperaturverlaufes geachtet
werden, um unzulässige Gußspannungen einerseits und ein Überhitzen der Magnete,
das bekanntlich eine Verschlechterung ihrer magnetischen Eigenschaften zur Folge,
andererseits zu verhindern. Bei dieser Art der Polradherstellung ist noch eine nachträgliche
Magnetisierung der im Polrad eingegossenen Magnete erforderlich, so daß zweckmäßig
wieder. die eine Hälfte der Magnete aus Permanentmagnetmaterial und die andere aus
Weicheisen hergestellt und die Magnete in Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens
nachträglich aufmagnetisiert werden.
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Bei der Ausführung gemäß den Fig. 7 bis IO werden die einzelnen Magnete
I2 nacheinander in den Stahlring II eingebracht, wobei aber gleichzeitig ein bandförmiger
Litzenleiter I6 mäanderartig mitgefädelt wird. Der Hilfskörper I3 hält dabei die
Magnete in der richtigen Lage. Die beiden Enden des Litzenleiters I6 werden nach
dem Einsetzen des letzten Poles durch Schweißen oder Löten vereinigt und damit der
Leitungsweg geschlossen.
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Der Litzenleiter I6 muß, um seine Funktion als Dämpferwicklung zu
erfüllen, neben ausreichendem Leiterquerschnitt auch eine gute Leitfähigkeit besitzen.
Es ist daher zweckmäßig, als Material zu seiner Herstellung Kupfer oder Aluminium
zu verwenden. Da der Dämpferkäfig gleichzeitig als Halterung und Distanzierung der
Pole dient, muß vor allem die Drahtstärke der Einzelleiter, aus denen die Litze
aufgebaut wird, richtig gewählt werden und die Verseilung, Verflechtung und Verdrillung
der Litze muß die richtige Härte und Dichte aufweisen.
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Nach dem Einfädeln der Litze und dem gleichzeitigen Einsetzen der
Magnetpole sitzt die Litze, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, entsprechend ihrem
Querschnitt mehr oder minder lose zwischen den Polen in den Pollücken. Das so vorbereitete
Polrad wird nun mit etwa der Schleuderdrehzahl in Rotation versetzt. Unter dem Einfluß
der auch auf den Litzenleiter wirkenden Fliehkraft verformt sich der Litzenquerschnitt
und die Litze wird vollständig anliegend in die radial außenliegenden Teile der
Pollücken eingepreßt. Überdies tritt eine gewisse Anspannung der Litze dadurch ein,
daß die Wickelköpfe der Litze durch die Nabenscheibe I7 und einen Fixierring I8
auf einem etwas kleineren Durchmesser als dem der Bohrung des Stahljochringes II
festgehalten werden. Während des Umlaufes wird Lack oder Harz entsprechender Konsistenz
in den Läufer eingesprüht und für rasche Trocknung und Härtung gesorgt, womit Litze
und Magnetpole in ihrer Endlage fixiert sind.
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Die Einzelpole können dann wieder nach dem oben beschriebenen Verfahren
magnetisiert werden. Es ist jedoch hier und auch bei der Konstruktion nach den Fig.
5 und 6 eine Magnetisierung vor dem Einschieben der Magnete möglich, wenn der Hilfskörper
I3 aus magnetisch leitendem Material hergestellt und die Verbindung zwischen der
Nabenscheibe I7 und dem Stahlring I2 lösbar ausgebildet wird, so daß der Außenläufer
vom Hilfskörper ohne wesentliche Unterbrechung des Eisenschlusses der Magnete auf
den Ständer des Generators übergeschoben werden kann.