LU93205B1 - Axialfeld Elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht aus der Umlegung des radialen Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich längs zur Maschinenachse dreht. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers. Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkömmlichen Drehstrommaschine beibehalten. Die axiale Variante hat im Vergleich zur herkömmlichen Drehstrommaschine folgende Vorteile: 1. Nebeneinanderliegende Polpaare können dynamisch zusammengeschaltet werden, ohne dass Polaritätswechsel berücksichtigt werden müssen. Dadurch lässt sich die Polzahl und damit die Ankerdrehzahl unabhängig von der Phasenlage variieren. 2. Statoren mit einer größeren Anzahl von Polen erlauben eine Vielzahl von Maschinenkonfigurationen. Eine Axialfeldmaschine mit 24 Nuten erlaubt von 1 bis 8 Polpaare. 3. Da Polpaare durch das Zusammenschalten angrenzender Wicklungen gebildet werden, lassen sich viele Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungsvarianten erreichen. 4. Die Ankerkonstruktion ist einfach. Kurzschlussringe in der Mitte der Ankerhälften erleichtern den Start. 5. Als Folge der axialen Ausrichtung kann der Anker von einer im Stator feststehenden Wicklung mit Gleichstrom erregt werden. Dadurch kann man die Verwendung teurer Neodymium Magneten vermeiden.

Description

Beschreibung

Die Erfindung besteht aus der Ausrichtung des radial drehenden Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich axial zur und um die Maschinenachse dreht, wobei sich der Nord- und Südpol gegenüberliegend in Richtung der Achse ausprägen. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers (auch Läufer Oder Rotor genannt). Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkömmlichen Drehstrommaschine beibehalten.

Die hier beschriebene Lösung verwendet keine Modulation des Magnetflusses für den Betrieb der Maschine.

Folgende Bilder verdeutlichen die Grundlagen der neuen Konstruktion.

Figur 1 beschreibt das Prinzip der Erfindung. Getrennt durch eine Gleitschiene aus Kunsstoff und ohne sich zu berühren, kônnen sich 2 Permanentmagneten 1 und 2 hin- und her bewegen. Zieht man einen der Magneten in eine Richtung, so folgt der zweite nach. Der Magnetfluss bewirkt die Aneinanderkoppling der Magneten.

Figur 2 beschreibt das Prinzip der Erfindung mit 3-Phasen Wechselstrom. Magnet 2 in Figur 1 wird hier durch 3 mit 3-Phasen Wechselstrom erregte Eisenkerne ersetzt und bildet einen Stator. Die Spulen sind mit L1, L3 und L2 bezeichnet, wobei L3 entgegengesetzt zu L1 und L2 angeschlossen wird. Die 3 Phasen sind gegenseitig um 120 Grad versetzt. Legt man eine niederfrequente Spannung von 5 Hertz an, so bewegt sich Magnet 1 im gleichen Takt hin und her.

Figur 3 ergibt sich aus dem Stator in Figur 2, wenn die Spulen in einem geschlossenen Kreis angeordnet werden. Der Anker (Magnet 1) besteht aus 2 Scheiben, eine mit Nordpol und die andere mit Südpol. So entsteht ein synchroner Aussenläufer in der das Magnetfeld im Stator parallel zur Achse dreht.

Figur 4 zeigt das zu Grunde liegende Phasendiagram der Erregerphasen. Da die Polarität von L3 im verhältnis zu L1 und L2 umgekehrt ist, erhält man 3 zusammenwirkende Vektoren mit 60 Grad Phasenwinkel zu einander und den resultierenden Summenvektor einer Sinuskurve für das Drehfeld.

Die praktische Umsetzung der Erfindung ist vielfältig.

Figur 5 zeigt den Schnitt durch die Schaibanmaschina in vereinfachter Darstellung. Die Bauteile der Konstruktion sind entsprechend bezeichnet.

Flgur6 zeigt einen von der Seite gesehenen Ringstator, der nur auf der linken Seite mit 12 Spulen bestückt ist. Die Spulen kônnen so verdrahtet und geschaltet werden, dass die Machine 1-, 2- und 4-polig läuft. Die Spulen sind identisch und kônnen automatisch gewickelt werden. Die Spulen werden auf die seitlichen Statorzähne gesteckt und der gewünschten Funktion entsprechend geschaltet.

Figur 7 zeigt den aus einem langen Streifen Transformatorblech gewickelten Ringstator. Die Nuten für die Spulen kônnen entweder vor dem Wickeln gestanzt werden Oder nach dem Wickeln und Backen gefräst werden. Zum Stanzen der Nuten benötigt man eine Werkzeugmaschine die den Vorschub für jeden Stanzschlag automatisch einstellen kann. TITEL: Axialfeld Elektrische Maschine (AEM)

Figur8 zeigt das Transformatorblech mit gestanzten Nuten vor dem Aufwickeln. Die Nuten werden so gestanzt, dass beim Aufwickeln ein Stator nach Figur 7 ensteht.

Figur 9 zeigt mit dem Schnitt durch den Anker der Scheibenmaschine. Die Figur demonstriert deutlich den einfachen Aufbau der Komponenten.

Figur 10 zeigt den Schnitt durch den kombinierten Außen- und Innenlâufer aus hartmagnetischem Werkstoff. Der Ringstator wird aus gestanzten Blechen geformt, die zu einem Paket verbunden werden. Der Anker besteht aus einem Innen- und Außenteil. Beide Teile sind magnetisch über einen Neodymium-Ringmagneten verbunden. Der Ringstator wird auf einer festen Aufnahmescheibe fixiert, auf der auch die feststehende Achse montiert wird. Der Anker ähnelt einer Kugelhupfform und wird mittels zweier Kugellager auf der feststehenden Achse drehend befestigt. Der Aluminumzylinder zur Aufnahme des hartmagnetischen Ankers und des Neodymium-Ringmagneten verhindert einen magnetischen Kurzschluss.

Figur 11 ist die Seitenansicht des Ringstators aus einem Blechpaket mit 12 Wicklungen. Auch hier kônnen die Spulen wie in Figur 6 so verdrahtet und geschaltet werden, dass die Machine 1-, 2- und 4-polig läuft. Die Spulen sind identisch und kônnen ebenfalls automatisch gewickelt werden. Die Spulen werden auf die äußeren Statorzähne gesteckt.

Figur 12 zeigt die Axialfeldmaschine mit 2 Statorhälften und Anker. Diese Variante hat die grösste Ähnlichkeit mit den existierenden Drehstrommaschinen und deren Bauteiie.

Figur 13 ist der axiale Schnitt durch die vereinfachte Figur 12. Der Hohlzylinder dient als weichmagnetische Überbrückung der Statorhälften. Der Anker hat in der Mitte einen

Permanentmagneten der das Feld ausprägt. An den Ringmagneten schließen sich links und rechts Feldverteilerringe aus hartmagnetischem Material an. Ihre Aufgabe ist es die Feldlinien optimal zum Stator zu richten.

Die Feldlinien sind im Ruhestand dargestellt ohne Erregung durch die Wicklungen. Die Feldlinien verteilen sich durch Anker und Stator. Beim Einschalten von Drehstrom entsteht ein axial drehendes Feld mit einem Nord- und einem Südpol in den Statorhälften. Dieses zieht die Feldlinien des Ankers und so den Anker mit sich.

Im Folgenden werden die Ankerausführungen dargestellt. Diese sind in erster Linie auf Figur 12 ausgerichtet, kônnen aber auch auf die anderen Statorausführungen analog übertragen werden.

Figur 14 hat in der Mitte des Ankers einen Permanentmagneten der das Feld ausprägt. An den Ringmagneten schließen sich links und rechts Feldverteilerringe aus hartmagnetischem Material an. Ihre Aufgabe ist es die Feldlinien optimal zum Stator zu richten. Der Ringmagnet und die Feldverteiler sind auf der Achse angebracht.

Figur 15 Der Asynchronanker besteht aus je einem linken und rechten weichmagnetischen Feldverteiler und einem Kurzschlussring aus Aluminium.

Figur 16 Die axiale Ausrichtung der Maschine ermôglicht die externe Erregung des Ankers und somit die Konstruktion eines Synchronankers ohne Permanentmagneten. Dieser besteht aus einem Stück hartmagnetischen Material mit hoher Flussdichte. Der Anker wird durch Gleichstrom von einer in der

Mitte des Stators befestigten stationâren Wicklung erregt. Dadurch bildet sich ein gerichtetes magnetisches Feld aus.

Figur 17 Der Hybridanker mit Kurzschlussring und Ringmagnet hat zusâtziich zum Kurzschlussring einen Ringmagneten zwischen den 2 weichmagnetischen Feldverteilern.

Die Synchronanker kônnen auch in Drehstrom- und Wechselstromgeneratoren zur Anwendung kommen.

Zusammenfassung

Die Erfindung besteht aus der Umlegung des radialen Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich lângs zur Maschinenachse dreht. Daraus ergeben sich neue Môglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers (auch Laufer oder Rotor genannt). Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkômmlichen Drehstrommaschine beibehalten.

Die axiale Variante hat im Vergleich zur herkômmlichen Drehstrommaschine folgende Vorteile: 1. Nebeneinanderliegende Polpaare kônnen dynamisch zusammengeschaltet werden, ohne dass Polaritâtswechsel berücksichtigt werden müssen. Dadurch lâsst sich die Polzahl und damit die Ankerdrehzahl unabhângig von der Phasenlage variieren. 2. Statoren mit einer größeren Anzahl von polen erlauben eine Vielzahl von Maschinenkonfigurationen. Eine Axialfeldmaschine mit 24 Nuten erlaubt von 1 bis 8 Polpaare. 3. Da Polpaare durch das Zusammenschalten angrenzender Wicklungen gebildet werden, lassen sich viele Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungsvarianten erreichen. 4. Die Ankerkonstruktion ist einfach. Kurzschlussringe in der Mitte der Ankerhâlften erleichtern den Start. 5. Als Folge der axialen Ausrichtung kann der Anker von einer im Stator feststehenden Wicklung mit Gleichstrom erregt werden. Dadurch kann man die Verwendung teurer Neodymium Magneten vermeiden.

Bedeutung der Erfindung 1. Die Ankerkonstruktion wird weitgehend vereinfacht. 2. Eine begrenzte Anzahl von Bauteilvarianten ermôglicht die Herstellung von vielen verschiedenen Modelle. Die Komponentenfertigung kann weitgehend standardisiert und vereinfacht werden. 3. Erhebliche Einsparungen bei Kupfer im Vergleich zu herkômmlichen Drehstrommaschinen 4. Die Axialmaschine verspricht einen hôheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Kraft und umgekehrt. 5. Die Erfindung betrifft in erster Linie elektrische Generatoren und Motoren in synchronen und asynchronen Versionen. 6. Eine einfache, regelbare Gleichstromerregung wird durch die Erfindung ermôglicht.

Claims (6)

1. TITEL: Axialfeld Elektrische Maschine (AEM) Patentansprüche: 1) Die Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass die herkömmliche Drehstrommaschine in eine axial orientierte Maschine umgewandelt wird. Diese benötigt für den Betrieb keine besonderen Maßnahmen, sondern arbeitet mit den üblichen Versorgungsspannungen, -Frequenzen und -Phasen.
2. 2) Die Erfindung wird weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die so bezeichnete Scheibenmaschine einen Ringstator aufweist, der von der Seite her mit Erregerspulen bestückt ist und aus aufgerolltem Transformatorblech gefertigt wird.
3. 3) Die Erfindung wird weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die so bezeichnete kombinierte Außen- und inneniäufermaschine aus einem Ringstator aus gestanzten Blechen geformt, die zu einem Paket verbunden werden.
4. 4) Die Erfindung wird weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die so bezeichnete Axiatfeldmaschine mit 2 Statorhätften aus 2 identischen Statorhälften besteht. Die beiden Statorhälften werden in einem entsprechend dimensionierten Hohlzylinder aus weichmagnetischem Material miteinander mechanisch und magnetisch verbunden. Die Wicklungen der Statorhälften sind entgegengesetzt gepolt. Die felderregenden Wicklungen liegen zwischen den Nuten an der äußeren Peripherie der Statorhälften. Ein Wicklungsstrang besteht aus zwei Teilen, je einer pro Statorhälfte.
5. 5) Die Erfindung wird weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anker als Folge der axialen Ausrichtung aus einer einfachen Konstruktion bestehen. Das Magnetfeld im Anker wird entweder durch axial ausgerichtete Ringmagnete bei Synchronmaschinen oder durch einen induzierten Kurzschlussstrom bei Asynchronmaschinen ausgezeichnet. Neue Möglichkeiten eröffnet die Kombination der Eigenschaften von Synchron- und Asynchronankern. Da das Magnetfeld im Anker der Axialfeldmaschine mit 2 Statorhälften axial ausgerichtet ist, kônnte der Anker auch aus einem einzigen Permanentmagneten in Hohlzylinderform bestehen.
6. 6) Die Erfindung wird weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anker als Folge der axialen Ausrichtung von einer feststehenden Wicklung mit Gleichstrom erregt werden kônnen. Dadurch kônnte man die Verwendung teurer Neodymium Magneten weglassen.