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Rotor für eine elektrische, Maschine mit axialem Luftspalt Die Erfindung
bezieht sich auf rotierende elektrische Maschinen mit axialein Luftspalt, also mit
scheibenförmigen Elementen, bei denen die Wicklungsträgerelemente, insbesondere
die Rotoren, nach Art von gedruckten Schaltungen hergestellt werden.
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Bei derartigen Maschinen enthält ein Wicklungsträgerelement imwesentlichen
einendünnenisolierenden Träger, auf dessen Flächen zwei Sätze von Halbwindungen
aus blanken Flachleitern gebildet sind, die innig auf dem Träger haften, wobei Verbindungen
von der einen zur anderen Seite den Wicklungsverlauf vervollständigen, der durch
die Form der Halbwindungsleiter direkt vorbereitet ist.
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Nun ist es für bestimmte praktische Herstellungsfälle erwünscht, den
isolierenden Träger sehr dünn zu wählen, so daß er also biegsam ist, während es
andererseits in zahlreichen Ausführungsformen vorzuziehen ist, den Rotor starrer
auszubilden; es war daher üblich, auf eine -Seite der so gebildeten Wicklung einen
Ring von ausreichender mechanischer Festigkeit aufzubringen, der entweder vollständig
isolierend ist oder, falls er leitend ist (wobei er dann unter Einfügung eines dünnen
Isoliennaterials aufgebracht wird), möglichst wirbelstromfrei ist.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß bei bestimmten praktischen Anwendungsbedingungen
von Maschinen, die derartige Rotoren enthalten, infolge von Temperaturerhöhungen,
die auf vorübergehenden überlastungen der Maschinen beruhen, Verformungen auftreten
können und daß insbesondere sich daraus vorübergehende oder auch bleibende Spannungen
ergeben, die zum Ablösen der Leiter von ihrem Träger auf Grund der unterschiedlichen
Ausdehnung zwischen der eigentlichen Wicklung und dein mechanischen Trägerring der
Wicklung führen.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Rotoranordnung dieser
Art, bei der die Gefahr einer derartigen Beschädigung nicht auftritt. Die Erfindung
betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit axialem Luftspalt, mit einer
dünnen isolierenden Folie, deren beide Seiten mit einer Wicklung aus innig darauf
haftenden Flachleitern überzogen sind, und mit einer Scheibe, die an einer Seite
der Wicklung anliegt. Um die geschilderten Unzuträglichkeiten zu vermeiden, werden
erfindungsgemäß die die Wicklung tragende Folie und die Scheibe ohne gegenseitige
unmittelbare Verbindung derart montiert, daß sie sich frei gegeneinander bewegen
können, so daß Änderungen in den Abmessungen der Folie in ihrer Ebene in bezug auf
die Scheibe möglich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Durchmesserebene bei einer Maschine,
die mit einem erfindungsgemäßen Rotor ausgestattet ist, Fig. 2 einen Schnitt nach
Linie 2-2 von Fig. 1,
Fig. 3 eine Vorderansicht eines Rotors, der bei
der Maschine nach Fig. 1 verwendbar ist, Fig. 4 eine schematische Darstellung
eines Teils des Wicklungsverlaufs bei dem Rotor nach Fig. 3,
Fig.
5 eine Vorderansicht eines Rotors ähnlich Fig. 3 mit zusätzlichen
erfindungsgemäßen Maßnahmen, Fig. 5 a einen Schnitt nach Linie
5 a-5 a von Fig. 5,
Fig. 5 b eine Schnittansicht
nach Linie 5 b-5 b von Fig. 5 und Fig. 6 eine andere
Ausführungsform der in Fig. 5
gezeigten Maßnahmen.
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Die Maßnahmen, die im Zusammenhang mit Fig. 3
und
5 bis 6 erläutert werden, können vorzugsweise auch miteinander kombiniert
werden, da sich ihre Wirkungen im Hinblick auf das zu lösende Problem unterstützen.
Natürlich fällt jede technologische Variante dieser Maßnahmen in den Rahmen der
Erfindung.
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Der in Fig. 1 als Beispiel gezeigte Gleichstrommotor enthält
einen Rahmen 10, der eine ixi Lagern 12 und 13 gelagerte Welle
11 trägt. Auf dieser Welle
11 ist ein Rotor
30 mittels einer Nabe 14 gelagert, auf der er durch eine isolierende Scheibe
14 a, einen Klemmring 14 b und eine Mutter 14 c befestigt ist. Gemäß
Fig. 2 hat der Motor sechs Pole, die durch ebenso viele Permanentmagnete
15 bis 20 gebildet sind, die mit Polschuhen15a bis 20a versehen und auf einem
ringförmigen Magnetjoch 21a befestigt sind. Auf der anderen Seite - des Rotors
ist zin ferromagnetischer Ring 21 b vorgesehen, der den Rückschluß für die
durch den Rotor gehenden Kraftlinien bildet. Die Magnete, sind mit abwechselnder
Polarität über den Umfang des von ihnen gebildeten Erregerkranzes verteilt. Zwischen
nebeneinanderliegenden Polpaaren, beispielsweise zwischen den Polen 20 und
15 - einerseits und zwischen den Polen 15 und 16 andererseits,
sind etwa in der Mitte Bürsten 22 und 23 angebracht.
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Die Bürste 23 wird durch eine Feder 24 gehalten, die in einer Hülse
25 angebracht ist, die von einem isolierenden Träger26 getragen wird. Eine
isolierende Kappe 27 ist auf die Hülse aufgeschraubt, wodurch eine Ausgangsleitung
28 festgeklemmt wird. Die andere Bürste ist in gleicher Weise ausgebildet,
aber nicht dargestellt.
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Der in Fig. 3 gezeigte Rotor 30 enthält eine isolierende
Folie 31 (vgl. Fig. 5 a), die mit Leitern bedeckt ist. Diese isolierende
Folie besteht beispielsweise aus dem unter der Handelsbezeichnung »Mylar« bekannten
Material, das ein Polyester ist, oder aus einer dünnen Schicht eines sogenannten
Epoxydglases auf der Basis von Epoxydharzen. Die Dicke des Isoliermaterials ist
sehr gering; sie liegt in der Größenordnung von 1/lo mm. Das Isoliermaterial erscheint
in Fig. 3 schwarz, soweit es sichtbar ist und nicht von Leitern bedeckt ist.
Die als Beispiel gewählte Wicklung ist eine Wellenwicklung mit 76 Leitern
pro Fläche. Der gleiche Wicklungsverlauf findet sich auf beiden Seiten des Isoliermaterials,
wie aus dem Schema von Fig. 4 erkennbar ist. Die radialen Abschnitte 33 der
Leiter decken sich auf beiden Seiten.
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Die isolierende Folie 31 hat einen zentralen Ausschnitt
34 a. Die Folie und die von ihr getragene Wicklung liegen gegen einen isolierenden
Ring 31 a an, der starrer ausgebildet ist; doch besteht keine unmittelbare
Verbindung zwischen dem Wicklungsträgerelement und diesem Ring, der aus einer Epoxydglasschicht
mit einer Dicke von beispielsweise 0,7mm bestehen kann.
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Die Befestigung des Wicklungsträgerelements gegen die Scheibe31a erfolgt
auf der Höhe der Nabe 14 mittels der isolierenden Scheibe14a, des Klemmringes 14
b und der Mutter 14 c. Es ist zu bemerken, daß es nicht erforderlich
ist, daß der Außendurchmesser der Scheibe 31 a gleich dem Außendurchmesser
der Folie 31 ist; die Scheibe 31 a braucht den größten Durchmesser
des Polkranzes (d. h. den maximalen Durchmesser der radialen Abschnitte
33 der Wicklungsleiter) nicht zu überschreiten. Dadurch kann gegebenenfalls
die Trägheit des Ankers verringert werden. In jedem Fall führt die Scheibe
31 a die Folie 31 und ihre Wicklung in seitlicher Richtung,
während sich die Folie in radialer Richtung in bezug auf die Scheibe verschieben
kann. Auf diese Weise können Wärmeausdehnungen, die zu Änderungen in den Abmessungen
des Wicklungsträgerelements führen, stattfinden, ohne daß sie von der Scheibe
31 gehindert werden, wodurch Spannungen in dem Element auftreten würden.
Auf diese Weise wird die Bildung C
von bleibenden Verformungen in Form seitlicher
Krümmungen des Wicklungsträgerclements in einem großen Temperaturbereich, beispielsweise
von 20 bis 100' C,"-veri'ni6den. In einem derartigen Temperaturbereich ist
die Folie 31 gespannt, aber ihre Isolationseigenschaften sind nicht beeinträchtigt.
Sie ist so dünn, daß ihre seitliche Deformation die Wicklung nicht beeinträchtigt.
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Die Grenzen des Wicklungsverlaufs auf der Folie 31 sind mit
34 und 35 bezeichnet. Die Verbindungen von der einen zur anderen Seite erfolgen
über Löcher, die beispielsweise bei 36, 37 und 38 in Fig.
5 a angedeutet sind. Diese Löcher sind in Endkontaktstükken der Leiter gebildet
und metallisiert. Es gibt eine äußere Reihe, 39 von Kontaktstücken undzwei
innere Reihen 40 und 41 von Kontaktstücken, die radial gegeneinander versetzt sind.
Die Verbindungen am äußeren Umfang erfolgen alle in der Reihe 39, während
die Verbindungen am inneren Umfang abwechselnd in den Reihen 40 und 41 erfolgen.
Bei 42 ist das Isoliermaterial zu erkennen, das zwischen den Kontaktstücken der
inneren Reihen besteht.
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In dem Schema von Fig. 4 läßt sich der Stromverlauf in einer derartigen
Wicklung verfolgen. Es sei angenommen, daß der Strom über die Bürste 22 zu dem gerade
darunterliegenden Leiter 50 eintritt. Der Strom fließt von dem Leiter
50 zu dem Leiter 52 auf der Rückseite über das metallisierte Loch
51, kehrt über das metallisierte Loch 53 zu dem Leiter 54 auf der
Vorderseite zurück, von wo er über das metallisierte Loch 55 zu dem hinteren
Leiter 56 gelangt, über das metallisierte Loch 57 zu dem vorderen
Leiter 58
zurückkehrt und so weiter über das Loch 59, den Leiter
60, das Loch 61 zu dem Leiter 62 neben dein Leiter
50, von wo der Strom in eine neue, um den Umfang des Wicklungsträgerkranzes
verlaufende Scheife eintritt, bis schließlich zuletzt der unter der Bürste
23 auf der Vorderseite liegende (nicht gezeigte) Leiter erreicht wird.
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Die Bildung eines derartigen Wicklungsträgerelements kann nach den
bekannten Verfahren erfolgen, die zur Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet
werden; sie lassen sich wie folgt kurz schildern: Eine isolierende Folie wird metallisiert,
durch Lichtdruck werden die gewünschten Muster gebildet, und die Metallisierung
der Leiter und der Löcher wird verstärkt, oder es werden zwei Rauschgoldfolien auf
die Flächen der dünnen isolierenden Folie aufgeklebt, worauf der Lichtdruck durchgeführt
wird und schließlich die Löcher gebildet und metallisiert werden.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform versucht die Zentrifugalkraft
die Wicklungsträgerfolie gegen die starre Scheibe 31 a zu halten. Es ist
jedoch manchmal zu befürchten, daß im Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen die
Wicklungsträgerfolie die Neigung hat, sich regenschirmartig zu wölben; oder es kann
manchmal erwünscht sein, die Gesamtdicke des Wicklungsträgerelements noch weiter
zu verringern, so daß dieses dann eine unzureichende seitliche Festigkeit besitzt.
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In diesen Fällen kann eine weitere Maßnahme angewendet werden, indem
Einrichtungen vorgesehen werden, welche das Wicklungsträgerelement gegen die starrere
Trägerscheibe halten, ohne daß die beiden Elemente fest miteinander verbunden sind,
so daß die gegenseitigen radialen Ausdehnungen zwischen diesen Elementen frei möglich
sind. Zu diesem
Zweck sind Klammern 70 bis 84 vorgesehen,
die um den äußeren Umfang des Wicklungsverlaufs verteilt und einzeln mit einzelnen
Leitern der Wicklung verbunden sind, wie in Fig. 5 und 5 b erkennbar
ist. Diese Klammern sind vorzugsweise aus biegsamern Kupfer gebildet, und sie spielen
die Rolle von elastischen Fingern, die im Abstand von einer bestimmten Zahl von
Leitern voneinander liegen und den äußeren Rand der Wicklungsträgerfolie gegen die
Scheibe 31 a halten.
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Wahlweise können diese Klammern auch an der Trägerscheibe befestigt
sein und über den Umfang der Wicklung nach innen umgebogen sein, wobei sie von der
Wicklung durch einen isolierenden Ring getrennt sein können.
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Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform werden die Klammern
durch einen Ring 90 aus einem elastischen Plastikmaterial ersetzt, der über
die Ränder der Folie 31 und der Scheibe 31a geschoben werden kann und diese
Elemente zusammenklemmt, wobei jedoch eine gegenseitige Gleitbewegung der Elemente
in radialer Richtung möglich ist.
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Diese zusätzliche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
der Rotor bei Temperaturen über 100' C arbeiten muß, weil dann die radiale
Ausdehnung der Leiter zu deren Krümmung führen würde, während, wie in Fig.
5b erkennbar ist, bei jedem Grad der radialen Ausdehnung der Leiter die Wicklungsichradial
ausdehnt unddieKlammern70gleichzeitig radial verschoben werden (wie gestrichelt
angedeutet ist).
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Die für die seitliche Stützung des Rotors dienende Scheibe kann aus
sehr verschiedenen Stoffen gefertigt sein, beispielsweise aus Glas, Keramik, Epoxydharz,
Bakelit oder Karton. Die Scheibe kann leitend sein, wobei dann nur ihre der Wicklung
zugewandte Seite mit einem Isoliermaterial überzogen ist, wenn es beispielsweise
erwünscht ist, zur Dämpfung der Rotorbewegung in der Scheibe Wirbelströme zu erzeugen.
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Eine der praktischen Auswirkungen der Erfindung besteht darin, daß
verhindert wird, daß sich die Wicklung gegen die Polschuhe des Stators anlegt, wodurch
sie beschädigt würde oder Kurzschlüsse hervorrufen könnte, wenn die Polschuhe aus
leitendem Material bestehen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Rotoranordnung
besteht darin, daß sie billiger als ein Rotor ist, bei dem die Wicklung auf die
Scheibe aufgeklebt ist, da ein verhältnismäßig schwieriger Arbeitsgang vermieden
wird, indem das Wicklungsträgerelement flach auf die Trägerscheibe aufgebracht werden
muß. Ferner arbeitet die Maschine mit weniger Geräusch, da durch das Fehlen der
unmittelbaren festen Verbindung zwischen der Wicklung und der Trägerscheibe die
Schallübertragung zwischen diesen Teilen herabgesetzt wird.