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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 19. August 1954 Bekanntgemacht am 12. Januar 1956Registration date: August 19, 1954. Advertised on January 12, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

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 400 bis 500 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.The invention relates to a medium frequency synchronous machine with external rotor and permanent magnets and essentially has a type of machine of this type as its object which makes it possible to produce machines of this type with outputs of up to the order of magnitude of 100 kVA to build. Modern magnetic materials have the same tensile force per centimeter of magnet length as an electromagnet with about 400 to 500 ampere turns on it, so its use mainly is particularly economical if the pole pitch is so small that the required. Ampere winding coating not at all due to the otherwise common field winding assigned to the individual poles more can be applied and special constructions, such as the homopolar types, are used would have to be. As the material used to make high performance magnets has only a low mechanical strength, is extremely brittle and only very weak when pulled may be claimed, the magnetic material is subjected to tensile stress by using the known external rotor arrangement, the individual magnets being supported on the outer yoke ring and are therefore practically only subjected to pressure, avoided.

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DieErfmdung besteht nun im wesentlichen darin, daß der das magnetische Schlußjoch tragende Außenläuferkörper mit einem Käfig aus elektrisch gut leitendem Material versehen ist, der als elekirischer Dämpferkäfig wirkt und gleichzeitig als mechanische Halterung und Distanzierung der Dauermagnete ausgebildet ist. Durch die Anordnung des Dämpferkäfigs 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 ι cm breiten und 2V2.cm hohen Polen aus Magnetmaterial am Ständer ein praktisch ausnutzbarer Strombelag von etwa 200 A/cm selbst bei rein induktiver Belastung (also ohne Stützung der Erregung durch kapazitive Verbraucher) erreichen. Weitere Einzelheiten und konstruktive Ausbildungsmöglichkeiten des Erfindungsgegenstandes gehen aus der Zeichnung hervor, in der der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht ist.The invention essentially consists in the fact that the one carrying the magnetic final yoke The outer rotor body is provided with a cage made of a material that is a good electrical conductor, which is called an electrical Damper cage acts and at the same time as a mechanical support and distancing of the Permanent magnets is formed. The arrangement of the damper cage creates harmful effects of the counter-amp windings effective from the stator, which otherwise reduce the remanence of the Decrease magnets and make good use of the available from the magnetic material itself standing AW / cm would be avoided or largely weakened. As shown by experiments can have, in such an embodiment with ι cm wide and 2V2.cm high poles made of magnetic material on the stand, a practically usable current layer of about 200 A / cm even with purely inductive loading (i.e. without supporting the excitation by capacitive loads). Further details and constructive training options for the subject matter of the invention can be seen from the drawing in which the subject matter of the invention is illustrated, for example.

Es zeigenShow it

Fig. ι und 2 eine Mittelfrequenz-Synchronmaschine im Längsschnitt und in Rückansicht,Fig. Ι and 2 a medium frequency synchronous machine in longitudinal section and in rear view,

Fig. 3 die Maschine gemäß Fig. 1 mit einer Magnetisierungsvorrichtung zum nachträglichen Aufmagnetisieren der Einzelpole,3 shows the machine according to FIG. 1 with a magnetizing device for subsequent Magnetizing the individual poles,

Fig. 4 eine gegenüber der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Maschine etwas abgeänderte Mittelfrequenz-Synchronmaschine ebenfalls im Längsschnitt, 4 shows a medium-frequency synchronous machine which is somewhat modified compared to the machine shown in FIGS also in longitudinal section,

Fig. 5 und 6 den Außenläufer einer Mittelfrequenz - Synchronmaschine, bei welcher der Dämpferkäfig in das Außenläuferpolrad eingegossen ist, im Längsschnitt und in Rückansicht,5 and 6 the external rotor of a medium frequency synchronous machine in which the Damper cage is cast into the external rotor pole wheel, in longitudinal section and in rear view,

Fig. 7 und 8 einen Außenläufer mit einem als zwischen den Magneten mäanderartig eingefädelte Leiterlitze ausgebildeten Dämpferkäfig im Längsschnitt bzw. im Querschnitt während der Herstellung, 7 and 8 show an external rotor with a meandering thread as between the magnets Conductor strand formed damper cage in longitudinal section or in cross section during manufacture,

Fig. 9 einen Teil des Polrades der Maschine gemäß Fig. 7 und 8 mit dem die Pole mäanderförmig umschließenden Litzenleiter in abgewickelter Darstellung und9 shows a part of the pole wheel of the machine according to FIGS. 7 and 8 with which the poles meander surrounding stranded conductor in a developed view and

Fig. 10 einen Querschnitt gemäß Fig. 8 nach der Fertigstellung des Polrades.FIG. 10 shows a cross section according to FIG. 8 after the completion of the pole wheel.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 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 Dämpferkäfigs 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 1 versehen. Diese Schlitze werden im Teilfräsverfahren hergestellt und gewährleisten gleichzeitig eine genaue und dauernd eingehaltene Polteilung. Die Magnete 1 werden gegenüber der Fliehkraft ausschließlich durch das Joch 2,. an das die Magnete 1 nur angeschoben werden, abgestützt. Die beim Betrieb auf das Magnetsystem wirksam werdenden Tangentialkräfte werden zum. Großteil durch die Reibung zwischen den Magneten 1 und dem Joch 2 aufgenommen. Eine sichere Aufnahme dieser Tangentialkräf te 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 (Dämpferwicklung), 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.In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, one is preferably made of bronze or light metal casting Manufactured bell 3 provided, which at the same time the function of holding and distancing the Takes over individual magnets and those of a damper cage. This bell 3 is via its hub disc and a hub connected to the shaft 4. On the outer circumference of the bell is the magnetic Final yoke 2 pressed on or shrunk on. In this area is the bell with slots Receipt of the individual magnets 1 serving as poles is provided. These slots are partially milled manufactured and at the same time ensure an exact and permanently maintained pole pitch. the Magnets 1 are opposite to the centrifugal force exclusively through the yoke 2 ,. to which the magnets 1 are only pushed, supported. The at Operation on the magnet system effective tangential forces are to. Much through the Friction between the magnet 1 and the yoke 2 was added. A safe absorption of this tangential force te is also secured by the bell 3. Each two webs 7 of the bell 3 form together with the hub disk and a raised bead ring 5 enclosing each magnet Short-circuit winding (damper winding), through which too strong a reaction from the stator winding becomes effective Counter-amp turns on the magnets prevents and thus the maintenance of magnetism is guaranteed. The bead ring 5 is drawn radially outward, so that the magnets can easily be inserted parallel to the machine axis. To fix the magnets in the In exactly the right position, the hub disk has machined surfaces, and it is a snap ring 6 provided, which holds the magnets in the slots of the bell 3.

Bei der Konstruktion gemäß Fig. 1 werden die fertig magnetisieren Einzelmagnete nachträglich in die Schlitze der Glocke eingeschoben, da das in Frage kommende Magnetmaterial zu seiner Magnetisierung einen Aufwand von etwa 2000 bis 3000 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 Dämpferwicklung eine Magnetisierung mit kurzen Stromstößen. In the construction according to FIG. 1, the finished magnetized individual magnets are subsequently inserted into the slots of the bell, since the magnetic material in question belongs to his Magnetization requires an effort of about 2000 to 3000 AW / cm, which is generally (not once briefly) cannot be applied by the working winding of the generator. . Besides complicates the damper winding, which is important for operation magnetization with short current surges.

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 Fluß richtung 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 9According to a further embodiment of the invention, however, it is possible to slide it in individually dispense with the magnets and the magnetization of all poles in the installed state can be achieved with a single operation. This is made possible by the fact that only half of the Poles are designed as permanent magnets, while the remaining poles are made of soft iron will. As shown in Fig. 3, all the poles are initially in the appropriate Slits of the bell 3 are inserted, whereupon a toroidal shape encompassing stator and rotor Magnetization device, which is provided with an annular coil 8, is applied and by direct current feeding of the coil 8 all poles (that is, both those made of magnetic material as also those made of soft iron) are magnetized in the same direction. After switching off the coil 8 or removal of the magnetization device keep the poles made of magnetic material their magnetism and polarity, while the magnetism reverses in the soft iron poles, so that the flow direction required for operation, changing from pole to pole, is established. Since this magnetization process means that the magnets are no longer necessary can be pushed into the machine from the side, as shown in FIG. 4, the bell 9

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mit den Dämpferstäben ιO bzw. mit ihrem Hauptquerschnitt ganz nahe an den Luftspalt heranreichen, wodurch die Dämpferwirkung erhöht und verbessert wird.with the damper rods ιO or with their main cross-section Reach very close to the air gap, which increases and improves the damping effect.

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 10 dargestellt.Since the production of the damper bell cage with decreasing pole pitch becomes more and more difficult and becomes more cumbersome, are according to a further embodiment of the invention in such cases The external rotor and the damper cage are manufactured separately, with the external rotor being the permanent magnets is supported in the radial direction, while the electrical damper cage is also a mechanical one Holding and spacing of the magnets is formed on the circumference. Such constructions are shown in Figs.

Bei der Ausbildung nach den Fig. 5 und 6 sind in den Stahlring 11 des Außenläufers Magnete 12 als Einzelpole eingesetzt. Um das Einsetzen der Einzelpole in der richtigen Teilung zu erleichtern, sind ein entsprechend gezahnter, auf die Welle aufschiebbarer Stützkörper 13, der nachträglich wieder entfernt werden kann, und ein Stützring 14 vorgesehen. In das so vorbereitete und etwas angewärmte Außenläuferpolrad wird im Schleuderguß-.25 verfahren ein Leichtmetall- oder Bronzekäfig 15 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. .In the embodiment according to FIGS. 5 and 6, magnets 12 are in the steel ring 11 of the external rotor used as single poles. To make it easier to insert the individual poles in the correct pitch, are a correspondingly toothed support body 13 which can be pushed onto the shaft and which is subsequently can be removed again, and a support ring 14 is provided. In that prepared and somewhat warmed up External rotor pole wheel is centrifugally cast .25 a light metal or bronze cage 15 subsequently poured in. The temperature curve must be controlled accordingly Care must be taken to avoid impermissible casting stresses on the one hand and overheating of the magnets is known to result in a deterioration in their magnetic properties, on the other hand impede. With this type of pole wheel manufacture, a subsequent magnetization of the im Magnetic cast-in magnets required, so that one half of the magnets is expedient made of permanent magnet material and the other made of soft iron and the magnets in use using the method described above are subsequently magnetized. .

Bei der Ausführung gemäß den Fig. 7 bis 10 werden die einzelnen Magnete 12 nacheinander in den Stahlring 11 eingebracht, wobei aber gleichzeitig ein bandförmiger Litzenleiter 16 mäanderartig mitgefädelt wird. Der Hilfskörper 13 hält dabei die Magnete in der richtigen Lage. Die beiden Enden des Litzenleiters 16 werden nach dem Einsetzen des letzten Poles durch Schweißen oder Löten vereinigt und damit der Leitungsweg geschlossen. In the embodiment according to FIGS. 7 to 10, the individual magnets 12 are successively in introduced the steel ring 11, but at the same time a ribbon-shaped stranded conductor 16 meandering is also threaded. The auxiliary body 13 holds the magnets in the correct position. The two Ends of the stranded conductor 16 are after the insertion of the last pole by welding or Soldering united and thus the conduction path closed.

■ Der Litzenleiter 16 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.■ The stranded conductor 16 must to its function as To meet damper winding, in addition to having a sufficient conductor cross-section, also have good conductivity. It is therefore appropriate to use copper or aluminum as the material for its manufacture use. Since the damper cage serves as a holder and as a spacer for the poles, must Above all, the wire thickness of the individual conductors from which the strand is made up has been chosen correctly and the stranding, interlacing and twisting of the strand must be of the correct hardness and Have density.

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 17 und einen Fixierring 18 auf einem etwas kleineren Durchmesser als dem der Bohrung des Stahljochringes 11 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.After threading the stranded wire and inserting the magnetic poles at the same time, the stranded wire sits, as shown in FIGS. 7 and 8, according to their cross-section more or less loosely between the poles in the pole gaps. The prepared pole wheel is now at about the spin speed set in rotation. Deformed under the influence of the centrifugal force also acting on the stranded conductor the strand cross-section and the strand is completely adjacent to the radially outer parts the pole gaps pressed in. In addition, there is a certain tension in the braid due to the fact that the Winding heads of the strand through the hub disk 17 and a fixing ring 18 on a slightly smaller one Diameter than that of the bore of the steel yoke ring 11 are recorded. During the cycle varnish or resin of the appropriate consistency is sprayed into the runner and for rapid Drying and hardening are provided, with which the stranded wire and magnetic poles are fixed in their end position.

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 Hilfs- · körper 13 aus magnetisch leitendem Material hergestellt und die Verbindung zwischen der Nabenscheibe 17 und.dem Stahlring 12 lösbar ausgebildet wird, so daß der Außenläufer vom Hilfskörper ohne wesentliche Unterbrechung des Eisenschlüsses der Magnete auf den Ständer des Generators übergeschoben werden kann.The individual poles can then be magnetized again using the method described above. However, it is here and also in the construction according to FIGS. 5 and 6, a magnetization before The magnets can be pushed in if the auxiliary body 13 is made of magnetically conductive material and the connection between the hub disk 17 und.dem steel ring 12 is detachable is so that the external rotor from the auxiliary body without significant interruption of the iron lock the magnet can be pushed onto the stand of the generator.

Claims

Patent claims:

1. Medium frequency synchronous machine with External rotor and permanent magnet, characterized in that the external rotor body carrying the magnetic trailing yoke has a cage or a similarly acting winding made of electrically good conductive material, which as electrical damper winding acts and at the same time as mechanical support and spacing the permanent magnet is formed.

2. Middle frequency - synchronous machine according to claim 1, characterized in that the Damper cage made of one piece with the outer rotor body, bell-shaped and is provided on one side with a bead ring, the clear inner diameter of which is the same or is kept slightly larger than the inner diameter of the yoke ring, so that the permanent magnets can be inserted laterally (Fig. ι to 3).

3. Medium frequency synchronous machine according to claim 1, characterized in that the External rotor (11) and the damper cage (15, 16) are made separately and the external rotor, the permanent magnets (12) in the radial direction supported, while the electrical damper cage at the same time as a mechanical bracket and spacing of the magnets is formed on the circumference.

4. Middle frequency - synchronous machine according to claim 3, characterized in that, the

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Damper cage (15) in the magnetic Cast in the outer rotor (11) forming the final yoke is.

5. Medium frequency synchronous machine according to claim 3, characterized by an between the magnet (12) forming the poles, preferably threaded in a meandering fashion Made of copper or aluminum, which are closed after being threaded and impregnated with paint or resin (Figs. 7 to 10).

6. Method of manufacturing the external rotor of a medium-frequency synchronous machine according to claim 5, characterized in that the individual magnets (12) one after the other below simultaneous meandering threading of the stranded conductor (16) into the outer rotor body (11) are introduced, whereupon this is set in rotation with approximately the spin speed and during this time paint or resin of the appropriate consistency is sprayed onto the magnets and the threaded strand.

7. ■ Middle frequency - synchronous machine according to one or more of claims 1 to 5> characterized in that only half of the individual poles are made of magnetically hard material (Permanent magnets) are made, while the remaining individual poles are made of soft iron are.

8. Method for the simultaneous magnetization of all poles < a medium-frequency synchronous machine according to claim 7, characterized in that all poles with the aid a toroidal magnetization device that engages around the stator and rotor DC excitation of the annular coil (8) of this magnetization device in the same direction are magnetized, with the permanent magnets their after switching off the excitation current Maintain magnetism while it flips over in the soft iron poles (Fig. 3).

9. Medium frequency - synchronous machine according to one or more of claims 1 to S and 7, characterized in that the damper rods (10) with their main cross-section entirely are brought close to the air gap (Fig. 4)

1 sheet of drawings