NL8601869A

NL8601869A - Elektrische machine.

Info

Publication number: NL8601869A
Application number: NL8601869A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-07-17
Filing date: 1986-07-17
Publication date: 1988-02-16
Also published as: CN87105601A; EP0254347B1; CA1273980A; US4843270A; DE3776732D1; EP0254347A1; JPS6331453A; KR880002307A

Description

x'V

* PHN 11.797 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Elektrische machine"

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische machine van het elektromagnetische type met een rotor en een stator als machinedelen, met middelen om een bekrachtigingsflux op te wekken en met aktieve spoelen, die in bedrijf althans een deel van de bekrachti-5 gingsflux periodiek omvatten en waarin een rotatiespanning wordt gegenereerd, waarbij de rotor is voorzien van zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende rotorpolen en de stator is voorzien van zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende statorpolen, waarbij de rotor en de stator dusdanig zijn uitgevoerd, dat het veldlijnenbeeld van het 10 door de aktieve spoelen omvatte deel van de bekrachtigingsflux als gevolg van de rotatie van de rotor ten opzichte van de stator in bedrijf roteert ten opzichte van het machinedeel dat de aktieve spoelen draagt.

Een dergelijke machine is bekend uit het artikel in Philips Technisch Tijdschrift nr. 4, 1975,· bladzijde 104-111, getiteld "Het ontwerpen van een kleine gelijkstroommotor", door R.H. Dijken.

De uitvinding heeft ten doel om elektrische machines te verschaffen, die als motor bij gegeven toerental en afmetingen een groter mechanisch vermogen kunnen leveren of als generator een hoger elektrisch vermogen kunnen leveren bij gegeven toerental en afmetingen dan 20 de machine volgens de stand van de techniek.

De machine van de in de aanhef genoemde soort wordt daartoe, wanneer de bekrachtigingsflux met afzonderlijke middelen wordt gegenereerd, volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat het veldlijnenbeeld van het door de aktieve spoelen omvatte deel van de bekrachtigingsflux 25 met een dusdanige hoeksnelheid roteert, dat de absolute waarde van het verschil daarvan met de hoeksnelheid van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat, groter is dan de absolute waarde van het verschil in hoeksnelheid tussen de rotor en de stator en dat het aantal polen van het machinedeel dat de aktieve spoelen niet bevat gelijk is aan 2.(t+a), waarin t het aantal polen is van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat en waarbij a een van nul en -t/2 verschillend geheel getal is.

6601869

-W

PHN 11.797 2

Hierdoor wordt bereikt, dat een (t+a) maal zo grote rotatie-spanning wordt gegenereerd als bij de machine volgens de stand van de techniek, bij gegeven aantal windingen van de aktieve spoelen, gegeven maximaal omvatte flux per winding en gegeven verschil in toerental tus-_ sen de rotor en stator. De grotere rotatiespanning leidt tot een hoger 9 geleverd vermogen.

Wanneer de bekrachtingsflux door de aktieve spoelen zelf wordt gegenereerd, zoals het geval is bij een reluctantiemotor of een inductiemotor wordt de elektrische machine van de in de aanhef genoemde 10 soort voor het bereiken van het gestelde doel volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat het veldlijnenbeeld van het door de aktieve spoelen omvatte deel van de bekrachtigingsflux met een dusdanige hoeksnelheid roteert, dat de absolute waarde van het verschil daarvan met de hoeksnelheid van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat groter is dan 1g de absolute waarde van het verschil in hoeksnelheid tussen de rotor en de stator en dat het aantal polen van het machinedeel dat de aktieve spoelen niet bevat gelijk is aan t+a, waarin t het aantal polen is van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat en waarbij a een van nul verschillend geheel getal is.

2Q Hierdoor wordt eveneens bereikt, dat een (t+a) maal zo grote rotatiespanning wordt gegenereerd als bij de machine volgens de stand van de techniek, bij gegeven aantal windingen van de aktieve spoelen, gegeven maximaal omvatte flux per winding en gegeven verschil in toerental tussen de rotor en de stator. De grotere rotatiespanning leidt 25 ook nu weer tot een hoger geleverd vermogen.

Bij voorkeur wordt de reeds genoemde faktor a dusdanig gekozen, dat deze een positieve waarde heeft, zodat het veldlijnenbeeld van de bekrachtigingsflux tegen de draairichting van de rotor indraait.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de elektrische machine vol-30 gens de uitvinding is daardoor gekenmerkt, dat de aktieve spoelen in de vorm van een cylinderwikkeling althans nagenoeg diametraal zijn gewikkeld, waarbij iedere aktieve spoel in de standen, waarin deze een zo groot mogelijk deel van de bekrachtigingsflux omvat de gehele bekrachtigingsflux omvat, met uitzondering van het strooideel daarvan. Door 35 deze maatregel kan het aantal windingen van de aktieve spoelen beperkt zijn, waardoor bij een gewenste waarde van de rotatiespanning de rotor-weerstand relatief klein is.

8601d69 PHN it.797 3 *

Uit het Amerikaanse octrooischrft 4.450.396 (herewith incorporated by reference) is een synchroonmotor bekend met een rotor met naar buiten gerichte tanden, die is opgebouwd uit een blikpakket en een daaromheen aangebrachte stator met naar binnen gerichte tanden die 5 groepsgewijze gerangschikt zijn. In de stator liggen vier bekrachti-gingsspoelen die elk om vier statortanden zijn gewikkeld. De bekrachti-gingsspoelen vormen tijdens bedrijf paarsgewijze noordpolen en zuidpo-len aan de statortanden. In de stator liggen tevens vier aktieve spoelen met elk twee spoelzijden. Tijdens bedrijf bevindt zich van elke ak-10 tieve spoel een van de twee spoelzijden onder een noordpool en de andere spoelzijde onder een zuidpool. Door de aktieve spoelen beurtelings te bekrachtigen wordt de rotor stapsgewijze verdraaid. Deze motor vertoont een veldlijnenbeeld dat niet roteert doch dat enigszins heen en weer schommelt. Deze bekende motor levert slechts een beperkt koppel 15 en tevens een beperkt vermogen, omdat door de wijze van wikkelen slechts een beperkte bekrachtigingslux wordt gegenereerd.

Uit het Amerikaanse octrooischrift 3.679.953 (herewith incorporated by reference) is een reluctantiemotor bekend, die een rotor bevat van een geschikt ferromagnetisch materiaal, zoals weekijzer, en 7(1 een ringvormige stator bevat met naar binnengerichte tanden. De rotor is voorzien van naar buiten gerichte tanden. Het aantal statortanden verschilt van het aantal rotortanden. De rotor wordt in draaiing gebracht door middel van bekrachtigingswikkelingen, die elk om één sta-tortand zijn aangebracht. Ook deze motor kan slechts een beperkt vermo- pc gen en een beperkt koppel leveren, omdat ook hier niet de wijze van wikkelen van de aktieve spoelen is toegepast, die leidt tot een maximaal mogelijk omvatte flux, zoals volgens de uitvinding het geval is.

Een overeenkomstige reluctantiemotor, die wordt bedreven als stappenmotor is bekend uit het artikel "Stappenmotoren" in het tijd-schrift "Elektuur", 25e jaargang, nr. 4, april 1985, uitgegeven door Uitgeversmaatschappij Elektuur B.V.

Een verdere voordelige uitvoeringsvorm van de elektrische machine volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat de aktieve spoelen in de vorm van een ringwikkeling zijn aangebracht, waarbij 35 iedere aktieve spoel in die standen, waarin deze een zo groot mogelijk deel van de bekrachtigingsflux omvat, ten naaste bij de helft van de bekrachtigingsflux omvat, met uitzondering van het strooideel daarvan.

8601869 h PHN 11.797 4

Bij voorkeur is volgens de uitvinding de magnetische inductie B overal in het zacht magnetische deel van het machinedeel dat de aktieve spoelen draagt nagenoeg gelijk aan de verzadigingsinduct'ie van het toegepaste materiaal.

5 Een andere gunstige uitvoeringsvorm van de elektrische machine volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat deze voorzien is van een buitenste ring met een magneet, die in een richting evenwijdig aan de as van de ring is gemagnetiseerd, welke ring aan de bovenzijde en de onderzijde uit een zacht magnetisch materiaal is ge-10 vormd en die als spoelen dienende naar binnen gerichte tanden heeft, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde van de ring ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over de halve tandsteek, en voorzien is van een binnenste schijfvormig lichaam van een zachtmagnetisch materiaal, dat naar buiten gerichte tanden heeft.

15 Een weer andere uitvoeringsvorm van de elektrische machine volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat deze is voorzien van een binnenste schijfvormige magneet, die in een richting evenwijdig aan zijn as gemagnetiseerd is, die aan de bovenzijde en aan de onderzijde voorzien is van zachtmagnetische schijven met naar buiten gerich-20 te als polen dienende tanden, en van een buitenste ringvormig zachtmagnetisch lichaam, dat aan de bovenzijde en aan de onderzijde voorzien is van naar binnen gerichte tanden, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over de halve tandsteek.

25 Een verdere uitvoeringsvorm van de machine volgens de uit vinding wordt gekenmerkt, doordat deze voorzien is van een buitenste ringvormig zachtmagnetisch deel met naar binnen gerichte tanden, een binnenste ringvormige magneet, die in een richting evenwijdig aan zijn as gemagnetiseerd is en aan de bovenzijde en aan de onderzijde voorzien 30 is van ringvormige zachtmagnetische schijven met naar buiten gerichte als polen dienende tanden, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over een hele tandsteek, en aktieve spoelen zijn aangebracht in de vorm van ringwikkelin-gen om het buitenste ringvormige deel. Deze uitvoeringsvorm kan als 35 draaistroommotor met êen laag toerental draaien.

Vervolgens zal de elektrische machine volgens de uitvinding worden beschreven aan de hand van de tekening, waarin: $ £ 0 1 β $ § *r.

PHN 11.797 5

Fig. 1 een schematisch aanzicht toont van een twee-polige gelijkstroomcommutatormotor volgens de bekende stand van de techniek,

Fig. 2 het vervangingsschema voor de motor uit fig, 1 toont,

Fig. 3a-d schematische aanzichten toont van een elektrische machine volgens de uitvinding met zes rotortanden en aktieve spoelen;

Fig. 4 een schematisch aanzicht toont van een elektrische machine volgens de uitvinding met drie rotortanden met commutatorlamellen en aktieve spoelen;

Fig. 5 een met fig. 4 overeenkomend aanzicht toont van een 10 elektrische machine volgens de uitvinding met vijf rotortanden;

Fig. 6 het elektrische schema van de rotor toont van de als generator geschakelde machine volgens fig. 5;

Fig. 7 een schematisch aanzicht toont van een draaistroom- inductiemotor volgens de uitvinding; 15

Fig. 8 een schematisch aanzicht in perspectief toont van een elektrische machine volgens de uitvinding, waarbij een ringmagneet is toegepast voor het opwekken van de bekrachtigingsflux;

Fig. 9 een aanzicht in perspectief toont van een elektrische machine volgens de uitvinding, waarbij een binnenste schijfmagneet is 20 toegepast voor het opwekken van de bekrachtigingsflux; en

Fig. 10 een aanzicht in perspectief toont van een machine volgens de uitvinding met een ringwikkeling en een permanent magnetische bekrachtiging.

In het hierna volgende zal de machine volgens de uitvinding 25 hoofdzakelijk worden beschreven aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden in de vorm van een motor. Mutaties mutandis geldt een en ander dan ook voor een elektrische generator van het elektromagnetische type. De volgende definities zijn van toepassing op het hierboven en het hierna gestelde : 30 - De rotor is het roterende deel van de machine en de stator is het niet-roterende deel van de machine.

- Onder polen wordt verstaan hardmagnetische- of zachtmagne- tische delen van de rotor en de stator, welke zich bevinden aan de luchtspleet tussen de rotor en de stator. Tussen de polen zullen zich 35 in het algemeen niet-magnetische spleten bevinden; de genoemde delen zijn dan tandvormig. Indien de polen uit een hardmagnetisch materiaal bestaan, zullen de genoemde spleten sons ontbreken; de genoemde delen 8 6 0 t 8 >· i PHN 11.797 6 sluiten dan op elkaar aan.

- Aktieve spoelen zijn spoelen, waarin een rotatiespanning wordt opgewekt, dus de spoelen voor de omzetting van elektrisch vermogen in mechanisch vermogen (in het geval van een motor) of het omzetten 5 van mechanisch vermogen in elektrisch vermogen (in het geval van een generator). De aktieve spoelen kunnen zowel op de rotor als op de stator zijn gewikkeld.

- Een motor of een generator heeft een cilinderwikkeling, wanneer iedere aktieve spoel op het strooideel na de gehele bekrachti-gingsflux kan omvatten.

- Een machine heeft een ringwikkeling, wanneer de bekrachti-gingsflux zich in het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat in tweeën splitst en de aktieve spoelen de helft van de bekrachtigingsflux omvatten.

15 - De bekrachtigingsflux is de magnetische flux die in com binatie met de stromen door de aktieve spoelen het elektromechanische koppel vormt en de rotatiespanning opwekt in de aktieve spoelen.

- Het strooideel van de bekrachtigingsflux is dat deel van de bekrachtigingsflux dat niet door de aktieve spoelen kan worden ora- 23 vat.

Uitgaande van de in Fig. 1 en 2 weergegeven bekende tweepo-lige gelijkstroomcommutatormotor met een permanentmagnetische stator zal het principe van de elektromotor volgens de uitvinding nader worden uiteengezet. Daarbij zal ter verduidelijking van de verschillen tussen pc de electromotor volgens de uitvinding en de bekende motor enkele malen gerefereerd worden naar de bekende motor.

De bekende motor is voorzien van een stator S met twee sta-torpolen NI en S1 en een rotor R met zes rotortanden 1 t/m 6 en zes aktieve spoelen W1 t/m W6. De rotor R is ten opzichte van de stator S 30 roteerbaar om een as A.

Voor de bekende motor geldt: U-I.R-E=0 ........................................................(1) waarin U de spanning van de voedingsbron is, E de in bedrijf opgewekte rotatiespanning in de aktieve spoelen van de motor is, I de stroom is, 35 die door de aktieve spoelen loopt en R de diametraal weerstand van de aktieve spoelen is.

Uit (1) volgt de elektrische vermogensvergelijking van de motor 8601869

«V

PHN 11.797 7 U.I-I2.R-E.I=0 ...................................................(2)-

Hierin is U.I het opgenomen elektrische vermogen, I2.R het koperver-liesvermogen in de aktieve spoelen en E.I het elektromechanische vermogen.

5 De grootte van R bepaalt het maximale mechanische vermogen, dat de motor kan leveren bij* een gegeven aangelegde spanning U. De ro-torweerstand R dient dus zo klein mogelijk gemaakt te worden.

Voor de bekende gelijkstroomcommutatormotor geldt voor de rotatiespanning: 10 E=2.n.«5.w ......................................................(3)

Hierin is ύ dat deel van de door de stator geleverde bekrachtigings-flux, dat maximaal door elke aktieve spoel wordt omvat, w het aantal rotorwindingen en n het toerental van de rotor ten opzichte van de vaste richting van de flux ύ.

15

Volgens het principe volgens de utivinding wordt als gevolg van de rotatie van de rotor het veldlijnenbeeld van de bekrachtigings-flux ten opzichte van de stator in bedrijf gedraaid. De rotatiespanning E van de motor wordt dan niet bepaald door het toerental n van de rotor, maar door het verschil tussen het toerental n van de rotor en het 20 toerental van het draaiende veldlijnenbeeld van de bekrachtigingsflux.

Wanneer het toerental van de rotor ten opzichte van het draaiende veldlijnenbeeld N is dan geldt voor de motor volgens de uitvinding E=2.N.f6.w ....................................................(4)

In de figuren 3a-d is een mogelijke uitvoeringsvorm van 25 een gelijkstroomcommutatormotor volgens de uitvinding met een perma- nentmagnetische stator S weergegeven. Deze motor heeft een rotor R met zes tanden 1 tot en met 6, waartussen zich zes groeven bevinden, waarin spoelen W1 - W3 zijn aangebracht. Om praktische redenen kan het nodig zijn de spoelen steeds om twee tanden te wikkelen. Binnen de stalen 30 ring van de stator bevinden zich 14 magneten, die aan de rotorzijde beurtelings noord en zuid zijn (NI-N7 respectievelijk S1-S7).

Bij de bekende tweepolige gelijkstroomcommutatormotor zijn, zoals in Fig. 1 te zien is, slechts twee segmentvormige permanente magneten N1 en S1 in de stator aanwezig. De bovenste heeft aan de bin-35 nenkant een noordpool en de onderste heeft aan de binnenkant een zuidpool. De rotor R heeft zes tanden 1 tot en met 6, en dus zes groeven, waarin de wikkelingen van de spoelen zijn aangebracht. In de bekende 8601869 PHN 11.797 8 gelijkstroomoommutatormotor zal het veldlijnenbeeld van de bekrachti-gingsflux door de rotor R als de rotor draait heen en weer schommelen, maar zal gemiddeld in dezelfde richting wijzen. Het toerental N van de rotor ten opzichte van het genoemde veldlijnenbeeld is dus gelijk aan 5 het toerental n van de rotor.

In de motor volgens de uitvinding volgens figuur 3a ligt de rotortand 1 onder de noordpool N1. Het veldlijnenbeeld van de bekrach-tigingsflux door de rotor VI, V2 en V3 is dan van boven naar beneden gericht. Zoals uit de figuren 3a-3d blijkt verandert het door de sche-10 matisch weergegeven aktieve spoel W1 omvatte veldlijnenbeeld V1,V2,V3 180° van de richting ten opzichte van aktieve spoel W1, wanneer de rotortand 1 zich verplaatst van de noordpool N1 naar de zuidpool S1. Wanneer de rotor over 360° rechtsom gedraaid is zal dus het door de aktieve spoel W1 omvatte veldlijnenbeeld V1,V2,V3 14 maal over 180" gedraaid 15 zijn. Het toerental van de rotor ten opzichte van het veldlijnenbeeld van de bekraehtigingsflux door de rotor is N=7.n .

In het algemeen kan worden aangetoond dat N=(t+a).n, wanneer het aantal rotortanden gelijk is aan t en het aantal statortanden gelijk is aan 2.(t+a), als de bekraehtigingsflux door afzonderlijke mid-20 delen zoals spoelen of permanente magneten wordt opgewekt, of gelijk is aan t+a, wanneer de aktieve spoelen zelf de bekraehtigingsflux opwekken. Daarbij is a in het eerste geval een van nul en -t/2 verschillend geheel getal en in het tweede geval een van nul verschillend geheel getal .

25 Voor deze uitvoeringsvorm geldt derhalve: E=2. (t+a) .n.ri.w ...................................................(5)

Voor het in de figuren 3a-d weergegeven uitvoeringsvoorbeeld is dus de opgewekte rotatiespanning met een faktor 7 ten opzichte van de conventionele gelijkstroomcommutatormotor vergroot. De genoemde factor wordt 30 verder aangeduid met k.

Wij gaan nu na in hoeverre de grootte van de faktor k=N/n=t+a invloed heeft op de grootte van de rotorweerstand R. Het nodige aantal rotorwindingen w volgt uit (9).

w=E/(2.k.n.ó) .....................................................(6) 35 De soortelijke weerstand van koper is ro. De gemiddelde lengte van een winding is s. De doorsnede van de koperkern van de wikkeldraad is a'. Indien alle windingen van de rotor in serie zouden worden geschakeld, 8601869 as PM 11.797 9 dan zou de weerstand zijn:

Rtot=ro.s.w/a’ ....................................................(7)

Maar de rotorwindingen staan in twee takken parallel. Alle windingen van de rotor zijn in serie geschakeld. Het einde van elke winding is 5 steeds verbonden aan het begin van elke volgende winding. Aan twee van dergelijke tegenover elkaar gelegen verbindingspunten wordt spanning toegevoerd.

De weerstand van iedere tak is Rtot/2 en de vervangweerstand van beide parallelle takken is Rtot/4.

^ Daaruit en uit (7) volgt de rotorweerstand R=ro.s.w/(4.a’) ..................................................(8)

De doorsnede van alle groeven samen is A. Ieder winding ligt in twee groeven. De kopervulfaktor van de windingen in de groeven is c. Dus 2.w.a’=c.A ...................................................... .(9) 15 Eliminatie van a' in (8) en (9) geeft R=ro.s.w2/(2.c.A) ............................................... .(10)

Vul nu w uit (6) in (10) in: R=ro.s.E2/(8.c.k2.d2.A.n2) .......................................(11)

Het oppervlak, dat door een winding wordt omvat, wordt aangeduid met 20

Ac. B is de gemiddelde inductie van de bekrachtigingsflux binnen een winding. Iedere winding is ongeveer even lang en voor iedere winding is Ac ook ongeveer even groot. Uit het voorgaande volgt: «JsB.Ac ...........................................................(12)

Met (12) gaat (11) over in 25 Rs(1/8). (1/k2) .(ro/(c.B2)).(s/(A.Ac2)). (E2/n2) ...................(13)

De rotorweerstand R bestaat uit 5 faktoren.

De eerste faktor is een konstant getal 1/8.

De tweede faktor bevat k, die kwadratisch in de noemer staat.

De derde faktor wordt bepaald door de technologie: on - ro is de soortelijke weerstand van koper - c is de kopervulfaktor.

- B is de gemiddelde magnetische inductie van het statorveld binnen een winding.

De vierde faktor bevat de afmetingen van de motor.

35 - Hoe kleiner de motor, hoe kleiner de gemiddelde windingslengte s.

- Hoe kleiner de motor, hoe kleiner de doorsnede van de groeven A.

- Hoe kleiner de motor, hoe kleiner de spoeldoorsnede Ac2.

8601869 PHN 11.797 10

De vijfde faktor bevat speGificatiepunten.

- E is de rotatiespanning die iets kleiner is dan de voedingsspanning U.

- n is het bedrijfstoerental.

5

Wanneer de besproken en getoonde bekende gelijkstroomcommu-tatormotor met een permanent magnetische stator wordt omgebouwd tot een motor volgens de uitvinding, dan verandert de rotor nauwelijks. Voor een motor met vijf rotortanden is k=6 en wordt R dus 36 keer zo klein. De rotorweerstand is bepalend voor het rendement van de motor, de kop- 10 peltoerenkromme en het koperverlies in de windingen. Met behoud van het rendement en stijlheid van de koppeltoerenkromme kan de stroom en dus het vermogen van de motor met een faktor 6 worden vergroot. De faktor k en daarmee de vermogenswinst kan nog groter gemaakt worden door het aantal tanden van de rotor te vergroten. Bij gelijkblijvende afmetingen en gelijkblijvend toerental levert de machine volgens de uitvinding dus een groter vermogen. Ook kan het principe volgens de uitvinding worden toegepast om hetzelfde vermogen te leveren bij een lager toerental of om hetzelfde vermogen te leveren bij hetzelfde toerental, maar dan uit een kleinere motor. Ook zijn combinaties van deze mogelijkheden moge- 20 lijk.

In figuur 4 is een motor volgens de uitvinding weergegeven met een rotor R met drie rotortanden I, II, III. De stator S heeft 2.(3+1)=8 polen, bestaande uit vier noordpolen N1, N2, N3 en N4 en vier zuidpolen S1, S2, S3 en S4. Om elk van de rotortanden ligt een ak-tieve spoel, respectievelijk W1, W2 en W3. De spoelen zijn schematisch aangegeven.

De bekende tweepolige motor uit het Philips Technisch tijdschrift nr. 4, 1975, blz. 104-111, met drie aktieve spoelen op de rotor en een noordpool en een zuidpool op de stator, heeft drie commutatorla-30 mellen ten behoeve van de commutatie van de motor. De motor volgens de uitvinding volgens fig. 4 heeft acht statorpolen en moet dus vier maal zo vaak per omwenteling worden gecommuteerd. Daarom heeft de motor volgens de uitvinding 4.3=12 commutatorlamellen, die met L1 tot en met L12 zijn genummerd. Op de lammellen komen eveneens de letters a,b,c voor.

35

Lamellen met overeenkomende letters zijn met elkaar verbonden.

Een aktieve spoel moet commuteren op het tijdstip, dat deze het grootst mogelijke gedeelte van de statorflux omvat. De in de be- 860 1 869 * * PHN 11.797 11 treffende aktieve spoel opgewekte rotatiespanning wisselt op dat moment namelijk van richting. Bij een rotor met bijvoorbeeld drie tanden, waarbij een aktieve spoel om een tand is gewikkeld, is dat het tijdstip, waarop de betreffende tand precies midden onder een noordpool of 5 precies midden onder een zuidpool staat. Bij het commuteren gaat de borstel van de lamel, waaraan een zijde van de betreffende aktieve spoel is verbonden naar de lamel waaraan de andere zijde van de betreffende aktieve spoel is verbonden. De lamellen, waarvan de beide uiteinden van een aktieve spoel zijn verbonden liggen dus naast elkaar.

10

De commutator van de in fig. 4 getoonde motor is dusdanig bevestigd, dat de overgang tussen de lamellen L1 en L12 op het midden van de rotortand I ligt. Commutatie van aktieve spoel Wi moet onder ander plaatsvinden, wanneer de tand I onder de pool N1 ligt. Dit gebeurt dus als er een borstel midden voor die pool N1 staat. Dit noe-15 men we de - borstel G1. Wanneer de rotor 90° rechtsom is gedraaid staat het midden van de tand I weer midden onder de noordpool N2. Dan moet weer commutatie onder de - borstel plaatsvinden. Nu ligt de spleet tussen de lamellen L3 en L4 juist onder de - borstel. De lamellen L12 en L3 moeten dus onderling worden doorverbonden, hetgeen is aangegeven met 20 de letter b. Ook moeten de lamellen LI en L4 worden doorverbonden. Wanneer de tand I weer 90° verder rechtsom wordt gedraaid ligt de spleet tussen de lamellen L6 en L7 onder de - borstel en na een draaiing van nog eens 90° rechtsom ligt de spleet tussen de lamellen L9 en L10 onder de - borstel. De lamellen L12, L3, L6 en L9 moeten dus onderling zijn 25 doorverbonden, dit is in de tekening aangegeven met de letter b. Ook moeten de lamellen L1, L4, L7 en L10 onderling zijn doorverbonden, dit is in de tekening aangegeven met de letter a. Overeenkomstig redenerend kan gevonden worden, dat de lamellen L5, L8, L11 en L2 eveneens moeten worden doorverbonden, dit is in de tekening aangegeven met de letter 30 o. De plaats van de + borstel C2 wordt als volgt gevonden. Uitgegaan wordt van de stand; waarbij de tand I midden onder noordpool N1 staat.

Zodra de rotor 45c rechtsom is gedraaid staat het midden van de tand I

onder deze eerstvolgende zuidpool S1. Op dat moment moet de spoel W1 weer worden geeommuteerd. De + borstel C1 moet dus midden voor de zuid-35 pool S1 worden geplaatst. De - borstel kan ook voor elk van de andere noordpolen worden aangebracht en de + borstel kan ook voor elk van de andere zuidpolen worden aangebracht. Ook is het mogelijk om meerdere - 8601869 * PHN 11.797 12 borstels en meerdere + borstels toe te passen, mits deze midden voor een noordpool respectievelijk midden voor een zuidpool worden geplaatst. De toepassing van meerdere borstels kan gunstig zijn voor de levensduur van de motor.

5 Per omwenteling verandert de grootte van het door een actie ve spoel omvatte deel van de bekrachtigingsflux in een drietands ge-lijkstroomcommutatormotor volgens de uitvinding 4 keer zo snel als in de bekende tweepolige gelijkstroomcommutatormotor met 3 tanden. De factor k is dus gelijk aan 4. Het afgegeven vermogen kan dus met een fac-10 tor tussen k=4 en ksl6 vergroot worden. De bekraehtingsflux moet dan ongeveer even groot zijn als in de bekende tweepolige uitvoering.

In figuur 5 is een gelijkstroomcommutatormotor volgens de uitvinding met een permanentmagnetisch stator S en een rotor R met 5 rotortanden T1 t/m T5 aangegeven. In figuur 5 is G een zacht stalen 15 magnetische teruggeleidingsring. Er zijn 6 permanentmagnetische stator-polen N1 t/m N6 en 6 permanentmagnetische zuidpolen S1 t/m S6. Het aantal rotortanden t van de rotor R is dus gelijk aan 5 het aantal stator-tanden 2.(t+a) is gelijk aan L2, omdat a gelijk is aan 1. Er zijn t.(t+a)=30 lamellen, genummerd L1 tot en met L30. Er is een + borstel 20 Cl, midden onder noordpool N1 en een - borstel C2 midden onder de zuidpool S6. Er mogen maximaal 6 + borstels worden toegepast, mits deze onder een noordpool staan en eveneens maximaal 6 - borstels worden toegepast mits deze onder een zuidpool staan. Van de vijf aanwezige schematisch getekende spoelen W1 t/m W5 omvat W1 de tanden T5 en T1, omvat W2 25 de tanden T1 en T2, omvat W3 de tanden T2 en T3, omvat W4 de tanden T3 en T4 en omvat W5 de tanden T4 en T5. De aktieve spoel W1 op de rotor omvat in de getekende stand de maximale flux, die er dan van binnen naar buiten doorloopt. Op dat moment moet commutatie plaatsvinden. De + borstel C1 onder N1 pool sluit dan de lamellen L1 en L30 kort. De ak-30 tieve spoel W1 moet dus aan de lamellen L1 en L30 worden verbonden. T1 staat nu onder S1 en T5 onder S6. Zodra de rotor 60° linksom is gedraaid om de as A, omvat W1 weer de maximale flux, die van binnen naar buiten loopt. T1 staat dan onder S2 en T5 onder 51. Nu moet weer commutatie plaatsvinden onder de + borstel. De lamellen L25 en L26 staan dan 35 onder de + borstel. Daarom moet lamel L1 worden doorverbonden met lamel L26, lamel L30 met lamel L25. Zo kan worden afgeleid, dat de volgende groepen lamellen met elkaar moeten worden doorverbonden 8601869 * PHN 11.797 13 L1, L6, Lil» L16, L21 en L26. Deze zijn met e aangegeven.

L2, L7, L12, L17, L22 en L27. Deze zijn met d aangegeven.

L3, L8, L13, L18, L23 en L28. Deze zijn met o aangegeven.

LH, L9, L1H, L19, L24 en L29. Deze zijn met b aangegeven.

5 L5, L10, L15, L20, L25 en L30. Deze zijn met a aangegeven.

Het is ook mogelijk om de commutatie elektronisch uit te voeren. De klemmen van de spoelen worden dan met een elektronische schakeling verbonden.

Een gelijkstroomcommutatormotor volgens de uitvinding heeft 10 in het algemeen de volgende eigenschappen. Het rotorblikpakket komt qua vorm overeen met dat van de bekende commutatormotor. Het is cirkelcy-lindrisch met in de omtrek een aantal groeven gevuld met windingen. Het aantal groeven en het aantal rotortanden betraagt t. De rotor kan op dezelfde manier bewikkeld zijn als bij een bekende tweepolige commuta-15 tormotor. Om de rotor is een cirkelcylindrische stator aagebracht met 2.(t+a) tanden. Hierbij is a bij voorkeur 1, omdat dan een maximaal effect wordt bereikt. Het aantal spoeluitlopers (gemeenschappelijke klemmen van met elkaar verbonden aktieve spoelen) is eveneens gelijk aan t. Het aantal commutatorlamellen bedraagt t.(t+a). Wanneer a gelijk is 20 aan 1 geldt: de eerste uitloper, gemerkt 1, is bevestigd aan de lamellen 1, t+1, 2.t+1 enzovoorts tot en met t.t+1. De tweede uitloper, gemerkt 2, is bevestigd aan de lamellen 2,t+2, 2.t+2 enzovoorts tot en met t.t+2, De laatste uitloper, gemerkt t, is bevestigd aan de lamellen t,t+t, 2.t+t enzovoorts tot en met t.t+t.

25 Figuur 6 toont het schema voor de commutatie met behulp van diodes voor een gelijkstroomcommutatorgenerator volgens de uitvinding met een permanentmagnetische stator. De rotor heeft 5 spoelen W1-W5. Er zijn 10 diodes nodig D1-D5 en D1*-D5'. De uitgaande spanning aan de klemmen C1 en C2 is een vrijwel constante gelijkspanning.

30 In Figuur 7 is een draaistroominductiemotor volgens de uit vinding weergegeven. De rotor R is in principe gelijk aan die van een gelijkstroomcommutatormotor zonder commutator. Drie spoeluitlopers op gelijke onderlinge afstand gelegen zijn verbonden met de drie aansluitingen van het draaistroomnet Rf, S’, T’. De stator S is in principe 35 een cirkelcylindrische stalen ring, die aan de binnenzijde van zeven gleuven is voorzien. In de gleuven liggen kort gesloten wikkelingen K1-K8. De rotor heeft in dit geval 6 tanden (t=6). De stator heeft dan, 8601869 m

V

PHN 11.797 14 als a=2, omdat de bekrachtingsflux door de aktieve spoelen wordt geleverd, 8 tanden (t+a). De rotor heeft 6 spoelen S1-S6 met een begin B1-B6 en een einde E1-E6. Het einde E1-E6 is verbonden met het begin B1-B6 van elke volgende spoel S1-S6 via een verbindingsdraad V1-V6. De 5 R*, S', en T’-fasen van het draaistroomnet zijn verbonden met de ver- bindingsdraden V1, V3 en V5. Tussen twee buitenste tanden van de stator bevindt zich steeds een kortsluitwinding K1-K8 om het blikpakket. Met deze motor volgens de uitvinding is het mogelijk om een lager synchroon en dus ook een lager asynchroon toerental te krijgen. Als de netfre-1° quentie 50 Hz. is, is in dit geval het synchrone toerental 50/8 = 6,25 omw./s.

In figuur 8 is een variant van de machine volgens de uitvinding weergegeven, waarbij een ringvormige magneet M wordt toegepast voor het opwekken van de bekrachtigingsflux. Als motor kan deze machine op twee manieren worden gebruikt. Roteert het binnendeel, dan is dat deel de rotor. Het buitendeel is dan de stator. Mechanische commutatie is mogelijk. Bij elektronische commutatie moeten de spanningen via sleepringen aan de rotor worden toegevoerd. Bij de tweede manier roteert het buitendeel en is dan de rotor, het binnendeel staat stil en 20 is de stator. Mechanische commutatie is dan moeilijk uitvoerbaar. Bij elektronische commutatie kunnen de spanningen direct aan de actieve spoelen worden aangesloten. In beide gevallen is de verklaring voor de werking hetzelfde. De werking zal hierna worden verklaard voor het geval dat het binnendeel roteert. De rotor R heeft vijf tanden T1-T5. Er 25 zijn ook vijf actieve spoelen W1 t/m W5. Iedere actieve spoel is om twee rotortanden gewikkeld. In de stator ligt de ringmagneet M die de bekrachtigingsflux levert. De ringmagneet M is evenwijdig aan de as A van de motor gemagnetiseerd met de noordpool boven en de zuidpool beneden. Daardoor ontstaan in het bovenste zachtmagnetische deel van de 20 stator S zes noordpolen N1-N6 en ontstaan in het onderste zachtmagnetische deel van de stator zes zuidpolen S1-S6. De motor omvat derhalve 12 statortanden. Voor deze machine kan worden afgeleid dat de faktor k=t+1 gelijk is aan 6.

In figuur 9 is een verdere variant van de machine volgens de

QC

uitvinding weergegeven. Deze machine kan als motor op twee manieren worden gebruikt met een roterend binnendeel of een roterend buitendeel. In beide gevallen is ook hier de verklaring van de werking het- 8601869

V

* PHN 11.797 15 zelfde. Deze wordt verklaard voor het geval dat het binnendeel roteert. In de rotor R ligt een ringmagneet of schijfmagneet M' die de bekrachtigingsflux levert. Deze magneet M’ is gemagnetiseerd, evenwijdig aan de as A van de motor met de noordpool aan de bovenzijde en de 5 zuidpool aan de onderzijde. Daardoor ontstaan in het bovenste zachtmag-netische deel van de rotor vijf noordpolen N1-N5 en in het onderste zaehtmagnetische deel van de rotor vijf zuidpolen S1-S5. Hierbij bevinden zich overeenkomstig genummerde noord- en zuidpolen steeds boven elkaar. Op de rotor R zijn aktieve spoelen W1 t/m W5 gewikkeld. De stator 10 S is geheel van zachtmagnetiseh staal gemaakt en heeft aan de bovenzijde zes statortanden T1-T6 en aan de onderzijde zes statortanden T7-T12. De statortanden T7-T12 zijn een halve tandsteek verdraaid ten opzichte van de tanden T1-T6. Iedere aktieve spoel omvat twee poolpa-ren, twee noordpolen boven en twee zuidpolen onder. De rotor R is in een dusdanige stand getekend, dat de aktieve spoel W1 zoveel mogelijk bekrachtigingsflux omvat. De bekrachtigingsflux wordt in de magneet M* opgewekt in bovenwaartse richting en loopt door de aktieve spoel W1, de polen N1 en N2, de statortanden Tl en T2, de zaehtmagnetische stator, de statortanden T9, T10 en Tl1, de rotorpolen S3, S4 en S5, het on- on derste zachtmagnetiseh deel van de rotor en door de magneet weer omhoog.

Wordt nu de rotor 30° rechtsom gedraaid, dan staan de rotorpolen N1 en N2 tegenover de statortanden T7 en T8. De bekrachtigingsflux loopt dan door de magneet M' midden in de rotor omhoog, door de rotorpolen ti3, N4 en N5, de statortanden TM, T5 en T6, de weekijze-ren stator, de statortanden T7 en T8, de rotorpolen S1 en S2 door de aktieve spoel ff1 en dan door de magneet weer omhoog. Door een draaiing van 30* van de rotor R is de bekrachtigingsflux door de aktieve spoel W1 van richting veranderd. Na een draaiing van 60“ is er dus een volle-30 dige draaiing over 360° van de flux. Dit betekent dus dat de faktor k gelijk is aan 6. Het is ook mogelijk om de permanente magneet M’ te vervangen door een bekrachtigingsspoel. De magneet wordt dan vervangen door een even dikke weekijzeren schijf met een iets kleinere diameter.

In de vrijgekomen ruimte wordt dan rondom de zaehtmagnetische schijf 35 een bekrachtigingsspoel W gewikkeld.

Fig. 10 toont een machine volgens de uitvinding met ringwik-kelingen W1-W6 en een permanent magnetische bekrachtiging door een 86Ö1p b è * PHN 11.797 16 magneet M". De permanente magneet M" bevindt zich in het binnenste machinedeel en is in de axiale richting gemagnetiseerd. Aan een zijde van de magneet MM is een zachtmagnetisch deel met vertandingen aangebracht, waardoor aan die zijde zeven zuidpolen S1-S7 ontstaan. Een 5 overeenkomstig zachtmagnetisch deel is aan de andere zijde van de permanente magneet MM aangebracht, waardoor aan die zijde zeven noordpolen N1-N7 ontstaan. De beide zachtmagnetische delen zijn ten opzichte van elkaar over een halve tandsteek verdraaid. Het buitenste machinedeel heeft tanden T1-T6 met gleuven daartussen, waarin de aktieve spoelen W1-W6 zijn aangebracht. De spoelen W1-W6 zijn in serie en in dezelfde richting (zin) om het buitenste machinedeel gewikkeld.

Er zijn drie aftakkingen A1, A2 en A3 aangebracht, waartussen zich steeds twee spoelen bevinden. Het aktieve buitenste machinedeel heeft 6 tanden. Het andere machinedeel heeft 14 tanden (a=1) nl. 2x(t+a). De 15 aftakkingen A1, A2 en A3 kunnen verbonden zijn aan elektronische schakelaars, of in het geval van een synchrone draaistroommachine aan de fasen van het draaistroomnet.

Andere uitvoeringsvormen van de machine volgens de uitvinding zijn mogelijk. Zo kan de machine volgens de uitvinding worden uit- 20 gevoerd als gelijkstroom seriemotor of generator. De uitvoering kan zijn zoals in verband met figuur 5 besproken maar nu zijn de permanente magneten vervangen door stalen poolschoenen met spoelen daaromheen.

Door de spoelen wordt dezelfde stroom gevoerd als aan de motor wordt toegevoerd. De machine volgens de uitvinding kan ook worden uitgevoerd 25 als draaistroomsynchroonmotor. De uitvoering is in principe hetzelfde als in verband met figuur 5 besproken. Regelmatig langs de omtrek verdeeld zijn nu drie spoeluitlopers verbonden aan de drie aansluitingen van het draaistroomnet. Omdat de motor een synchroonmotor is, is deze niet zelf startend maar loopt deze, wanneer hij op het synchrone toe-30 rental is gebracht als een synchroonmotor.

Ook kan de machine volgens de uitvinding als reluctantiemo- tor worden uitgevoerd. De motor komt dan overeen met de draaistroomin- ductiemotor, die hierboven is beschreven. De kortgesloten windingen in de stator ontbreken echter. Wanneer de spoelen op het draaistroomnet 35 zijn aangesloten ontstaat er een synchrone motor met hetzelfde toerental als het synchrone toerental van de draaistroomsynchroonmotor.

8601869

Claims

1. Elektrische machine van het elektromagnetische type met een rotor en een stator als machinedelen, met afzonderlijke middelen om een bekrachtigingsflux op te wekken en met aktieve spoelen, die in bedrijf althans een deel van de bekrachtigingsflux periodiek omvatten 5 en waarin een rotatiespanning wordt gegenereerd, waarbij de rotor is voorzien van zich regelmatige afstand van elkaar bevindende rotorpolen en de stator is voorzien van zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende statorpolen, waarbij de rotor en de stator dusdanig zijn uitgevoerd, dat het veldlijnenbeeld van het door de aktieve spoelen 10 omvatte deel van de bekrachtigingsflux als gevolg van de rotatie van de rotor ten opzichte van de stator in bedrijf roteert ten opzichte van het machinedeel dat de aktieve spoelen draagt, met het kenmerk, dat het bovengenoemde veldlijnenbeeld met een dusdanige hoeksnelheid roteert, dat de absolute waarde van het verschil daarvan met de hoeksnelheid van 15 het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat, groter is dan de absolute waarde van het verschil in hoeksnelheid tussen de rotor en de stator en dat het aantal polen van het machinedeel dat de aktieve spoelen niet bevat gelijk is aan 2.(t+a), waarin t het aantal polen is van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat en waarbij a een van nul en 20 -t/2 verschillend geheel getal is.

2. Elektrische machine van het elektromagnetische type met een rotor en een stator als machinedelen, met middelen om een bekrachtigingsflux op te wekken en met aktieve spoelen, die in bedrijf althans een deel van de bekrachtigingsflux periodiek omvatten en waarin een ro-25 tatiespanning wordt gegenereerd, waarbij de rotor is voorzien van zich regelmatige afstand van elkaar bevindende rotorpolen en de stator is voorzien van zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende statorpolen, waarbij de rotor en de stator dusdanig zijn uitgevoerd, dat het veldlijnenbeeld van het door de aktieve spoelen omvatte deel van de be-30 krachtigingsflux als gevolg van de rotatie van de rotor ten opzichte van de stator in bedrijf roteert ten opzichte van het machinedeel dat de aktieve spoelen draagt, met het kenmerk, dat de bekrachtigingsflux door de aktieve spoelen zelf wordt gegenereerd, en dat het bovengenoemde veldlijnenbeeld met een dusdanige hoeksnelheid roteert, dat de 35 absolute waarde van het verschil daarvan met de hoeksnelheid van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat groter is dan de absolute waarde van het verschil in hoeksnelheid tussen de rotor en de stator en 8601809 « PHN 11.797 18 dat het aantal polen van het machinedeel dat de aktieve spoelen niet bevat gelijk is aan t+a, waarin t het aantal polen is van het machinedeel dat de aktieve spoelen bevat en waarbij a een van nul verschillend geheel getal is. 5

3· Elektrische machine volgens conclusie 1 of 2, met het ken merk, dat de aktieve spoelen in de vorm van een cylinderwikkeling althans nagenoeg diametraal zijn gewikkeld, waarbij iedere aktieve spoel, in de standen, waarin deze een zo groot mogelijk deel van de bekrachti-gingsflux omvat de gehele bekrachtigingsflux omvat, met uitzondering van het strooideel daarvan.

4. Elektrische machine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de aktieve spoelen in de vorm van een ringwikkeling zijn aangebracht, waarbij iedere aktieve spoel in die standen, waarin deze een zo groot mogelijk deel van de bekrachtigingsflux omvat, ten naaste bij 15 de helft van de bekrachtigingsflux omvat, met uitzondering van het strooideel daarvan.

5. Elektrische machine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het aantal polen van de stator en van de rotor dusdanig is, dat a een positieve waarde heeft. 2o

6. Elektrische machine volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de magnetische inductie B overal in het zacht magnetische deel van het machinedeel dat de aktieve spoelen draagt nagenoeg gelijk is aan de verzadigingsinductie van het toegepaste materiaal.

7. Elektrische machine volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat deze voorzien is van een buitenste ring met een magneet, die in een richting evenwijdig aan de as van de ring is gemagnetiseerd, welke ring aan de bovenzijde en de onderzijde is gevormd uit van zachtmagnetisch materiaal en die als polen dienende 30 naar binnen gericht tanden heeft, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde van de ring ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over de halve tandsteek, en voorzien is van een binnenste schijfvormig lichaam van een zachtmagnetisch materiaal, dat naar buiten gerichte tanden heeft.

8. Elektrische machine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze voorzien is van een binnenste ringvormige magneet, die in een richting evenwijdig aan zijn as gemagnetiseerd is, die aan de bovenzij- 860 1 8 6 P s PHN 11.797 19 * ’ de en aan de onderzijde voorzien is van ringvormige zachtmagnetische schijven met naar buiten gerichte tanden en van een buitenste ringvormig zachtmagnetisch lichaam, dat aan de bovenzijde en de onderzijde voorzien is van naar binnen gerichte tanden, waarbij de tanden aan de 5 bovenzijde en de onderzijde ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over de halve tandsteek.

9. Elektrische machine volgens conclusie t, met het kenmerk, dat deze is voorzien van een binnenste schijfvormige magneet, die in een richting evenwijdig aan zijn as gemagnetiseerd is, die aan de bo-venzijde en aan de onderzijde voorzien is van zachtmagnetische schijven met naar buiten gerichte als polen dienende tanden, en van een buitenste ringvormig zachtmagnetisch lichaam, dat aan de bovenzijde en de onderzijde voorzien is van naar binnen gerichte tanden, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde ten opzichte van elkaar zijn ^ verdraaid over de halve tandsteek.

10. Elektrische machine volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat deze voorzien is van een buitenste ringvormig zachtmagnetisch deel met naar binnen gerichte tanden, een binnenste ringvormige magneet, die in een richting evenwijdig aan zijn as gemagnetiseerd is en aan de bo- on venzijde en de onderzijde voorzien is van ringvormige zachtmagnetische schijven met naar buiten gerichte als polen dienende tanden, waarbij de tanden aan de bovenzijde en de onderzijde ten opzichte van elkaar zijn verdraaid over de halve tandsteek, en aktieve spoelen zijn aangebracht in de vorm van ringwikkelingen om het buitenste ringvormige deel. 25 30 35 860 1 869