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.elektrodynamische Maschine r'ür diese Anmeldung wird die Priorität
der entsprechenden U,iA-Patentanmeldung Serial No. 331 4 jd (Gase 34 996) vom 1
B. 12: 1 9b3 öeanspracra.
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Die ßrfind:ung bezieht sich auf eine elektrodynamische Wechsel-oder
Drehstrommaschine der Klauenpoltype, insbesondere Landell-.iype.
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Sobald das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (Z/r) einer eleKtri
dynamischen Maschine zunimmt, insbesondere bei einem Generator de. Lundell-Type,
nehmen die Kosten für die elektrischen und magneUis
chen . Teile
und daher auch @ die Herstellungskosten der Maschine per PS zu. Dieses Verhältnis
stellt somit einen wichtigen Wirtschaftlichen Faktor bei der Entwicklung und Herstellung
von elektrodynamischen Maschinen dar.
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Hei Maschinen der Lundell-Type besteht der' Rotor aus einer Vielzahl
von achsparallelen, kreisförmig angeordneten, ineinandergreifenden Magnetpolen.
Man unterscheidet hierbei Maschinen mit innerem und äußerem Rückschlußpfad, je nach
dem, ob der Rückechlußpfad für den Erregerfluß außerhalb oder innerhalb des Rotors
verläuft. Obgleich elektrodynamische Maschinen der Lundell-Type viele Vorteile haben,
wie hohe Ausgangsleistung bei einer gegebenes Größe, hohes Drehzahlverhältnis und
Ausführbarkeit ohne Bürsten und Schleifringe, ist das Verhältnis L/T begrenzt auf
ungefähr 1 bei Maschinen mit äußerem Rückschlußpfad und auf ungefähr 1/3 bei Maschinen
mit ä.nnerem Rü ckschlußpfad, hauptsächlich wegen der magnetischen Sättigung in
den Eintrittsbereichen der Rotorpole. Eine solche Begrenzung des Z/.-Verriäl tnisses
ist nicht nur wirtschaftlich unvortellhaft, sondern auch nachteilig vom Leistungsstandpunkt
her gesehen, da bei einer Wechselstrommaschine der Lundell-Type eine größere Leistung
bei einer gegebenen Geschwindigkeit oder einem gegebenen Rotordurchmesser
nur erzielt werden kann, wenn das Verhältnis L/'f zunimmt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue elektrodynamische
Maschine, insbesondere nach Art der Klauenpoltype zu schaffen, welche die bisher
bestehenden Leistung-Geschwindigkeits-Begrenzungen überwindet, insbesondere durch
die Verwendung von
neuen Rotoren mit hohem h,T-Verhältnis. Sie ist
dadurch gekennzeic.hnet, daß mehrere in axialer Richtung mit entsprechendem Abstand
hintereinander angeordnete Polpaarsätze mit achsparallelen, kreisförmig in bestimmtem
Abstand voneinander angeordneten, klauenförmig iheinandergreifenden Magnetpolen
innerhalb zugeordneter, korrespondierender Statorkerne angeordnet sind, welche mit
entsprechenden Statorwieklungen versehen sind.. Vorzugsweise sind die Klauenpolpaare
magnetisch hintereinander geschaltet und durch einen einzigen magnetischen Erregerfluß
polarisiert. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer in der Zeichnung dargestelltter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1 e--nen Längsscnni t t durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Maschine der hundell-Type mit .innenliegendem ad, 2 eine Ansicht auf den Rotor
der Maschine nach Fit;. 1 , rin;. einen üänr@ssct@nitt einer anderen Ausführungsform
der Er-_°-.ndung mit äußerem Rückschlußpfad und rig. 4 eine perspektivische Ansicht
des Läufers gemäß rig. 3, teilweise auseinandergenommen: Die in Fig. 1 dargestellte
Maschine besteht im wesentlichen aus: einem Rotor 10, einem Stator 12; einer Erregerspule
14 und einem Gehäuse 16, in welchem die vorgenannten Teile angeordnet sind.
Wie
Fig. 2 zeigt, besteht der Rotor. 10 aua drei axial angeordneten Polpaarsätzen 18,
20 und 22 mit achsparallelen, kreisförmig angeordneten, klauenförmig ineinandergreifenden
Magnetpolen oder Zähnen 24 aus Eisen. Jeder fo,lpaarsatz besteht wieder aus einem
Kranz von Zähnen, welche 'sich achsparallel von einem ringförmigen Träger 24'in
eine Richtung erstrecken und einem zweiten Kranz von Zähnen, welche sich achsparallel
von einem anderen ringförmigen Träger 24' in die entgegengesetzte Richtung erstrecken.
Sowohl die zweiten und dritten Polkränze als auch die vierten und fünften Polkränze
haben je einen gemeinsamen Träger 24'.
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Zusammengehörige Zähne 24 der einzelnen Polkränze sind gleichgerichtet.
Alle Pole oder Zähne 24 nehmen nach oben und nach der Seite hin im Quersohn4.tt
ab. Die gegeneinandergerichteten Polkränze sind voneinander durch geeignet dimensionierte
nichtmagnetische Luftspalte 26 getrennt, so daß ein minimaler.Yerlustfluß entsteht.
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Die einzelnen Rotorteile sind durch Bolzen 28 (Fig. 1) aus
nichtmagnetisierbarem Material zusammengehalten.- Sie erstrecken sich durch die
Träger 24` der Zähne. Ringzylinderförmige Einsätze 30 aus amagnetischem Material
sind als Abstandshalter und Stützen für die Zähne 24 vorgesehen. Zusätzlich können
die Luftspalte 26 mit amagnetischem Material, z.B. Aluminium, ausgefüllt sein, um
.eine feste Rotoreinheit zu erhalten. Dies ist in der Zeichnung nicht gezeigt.
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Ende des Rotors 10 ist mit einer Nabe 31 versehen, welche auf einer Welle 32 befestigt
ist. Die Welle 32 besteht aus nichtmagnetisierbarem Material und ist drehbar gelagert
in einem Zager 34, welches von einer Stirnplatte 36 des Gehäuses 16 getragen wird.
Da das Gehäuse nicht in den magnetischen Kreis der Maschine einbezogen ist, kann
es - und in vielen Anwendungsfällen sollte es - aus einem. nicht magnetisierbaren
Material bestehen, ui den Verlustfluß zwischen benachbarten Statorkernen zu reduzieren.
Das andere Ende des Rotors ist auf dem Außenkranz eines Lagers 3E befestigt. Der
innere Kranz des Lagers 38 ist am abgestuften Ende eines magnetischen Kerns 40 befestigt.
Die Lageranordnung für den Rotor ist also im wesentlichen symmetrisch, da an jedem
Ende des Rotors ein Zager angeordnet ist. Ferner wird bemerkt, daß die Zager außerhalb
fies Pfades des Erregerflusses angeordnet sind.
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Der magnetische Kern 40 ist auf der gegenüberliegenden Stirnplatte
42 des Gehäuses befestigt, beispielsweise durch nichtmagnetisierbare Schrauben 44.
Der in der Mitte des Rotors 10 angeordnete Kern 40 erstreckt sich durch das offene
Ende desselben und trägt eine langgestreckte Erregerwicklung 14, welche von einem
Gleichstrom geeigneter Größe durchflossen wird. Wie durch die Pfeile F angedeutet
ist, verläuft der durch die Erregerwicklung erzeugte magnetische Fluß entlang des
Kerns 40, überquert. die engen ringförmigen Luftspalte 46 und 48 an den
Enden
des Kerns und magnetisiert die Pole oder Zähne 24 aufeinanderfolgend derart, daß
die Polkränze die in Fig. 2 engezeichnete Polarität aufweisen. Das Ende des Kerns
40 in: der Nähe des Luftspaltes 48 ist derart gestaltet, daß ein geeigneter Luftspalt
entsteht. Ferner ist das .Ende zur Anpassung an das Zager 38 abgestuft. Der Stator
12 hat eine Mehrzahl von lamellierten magnetischen Kernen 50, welche innerhalb des
hohlzylindrischen Teiles 56 des Gehäuses 16 befestigt sind, und zwar genau gegenüber-,
liegend der zugehörigen Polkränze 33, 20 und 22 des Läufers. Die Bohrung der Kerne
50 ist so gewählt, daß enge ringförmige Luftspalte-52 zwischen Rotor und Stator
entstehen. Der Stator hat ausserdem eine oder mehrere Wicklungen 54, deren Leiter
in axial sich erstreckenden Nuten der Kerne 50 angeordnet sind, in Übereinstimmung
mit der herkömmlichen Technik. die Statorwicklungen können in geeigneter Weise geschaltet
sein, beispielsweise in Stern oder Dreieck.
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Wie vorher bemerkt, durchsetzt der magnetische Erregungsfluß den Kern
40 entlang der Erregerwicklung und überquert den Luftspalt 46, um die Polhaare zu
magnetisieren und tritt sch14eßlich wieder in den Kern 40 nach Überquerung des Luftspaltes
48 ein. Die Polarisierung der Rotorpole*24 erfolgt auf Grand des Plußver-Laufes
durch die Pole 24 zwischen den Luftspalten 46 oder 48.
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Im einzelnen verläuft der Fluß vom Luftspalt 46 durch die Nabe 31
in den anschließenden Polkranz 2=t und überquert dann den Rotor-Statorluftspalt
52 ;lm sich mit den Wicklungen des gegenüberliegenden
Statorkerns
50 zu verketten. Der Fluß überquert dann wieder denselben Luftspalt 52 und
geht in den nächsten Polkranz 24. Der Abstand zwischen diesen ineinandergreifenden
Polkränzen ist genügend groß gemacht, um zu verhindern, daß der Fluß unmittelbar
zwischen den ineinandergreifenden Polen als Verlustfluß übertritt, ohne sich mit
den Wicklungen des gegenüberliegenden Stators zu verketten. Ein gewisser Verlustfluß
tritt zwar immer auf, aber durch entsprechende Auslegung kann er minimalgehalten
werden..
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Von dem zweiten Polkranz 24 wird der Fluß durch den gemeinsamen Träger
24' unmittelbar auf den dritten Polkranz übertragen. Der flus überquert dann den
ho tor-Statorluftspalt 52 zum Statorkern 50, der dem dritten Polkranz gegenüberliegt.
Der weitere, Verlauf des Flußpfades bis zu dem Luftspalt 48 ist im wesentlichen
gleich wie zuvor beschrieben. Es wird besonders darauf aufmerksam gemacht, da3 eine
mehrfache Flußverkettung mit dem Stator 12 durch denselben Fluß erzielt wird. Dadurch
unterscheidet sich die Erfindung wesentlich von bekannten Anordnungen mit gleichartigen
Flußverkettungen, welche durch die Verwendung mehrerer flußerzeugender Mittel erzielt
werden, da in diesem Falle ein wesentlich größerer Pfadquerschnitt benötigt wird,
da die Zahl der Verkettungen durch die magnetische Sättigung der Maschine bei gegebenem
Durchmesser begrenzt ist. Sie kann nur dann erhöht werden, wenn der Durchmesser
der Maschine vergrößert wird. Im Gegensatz dazu nehmen durch den erfindungsgemäßen
Vorschlag die Flußverkettungen bei Zunahme der Maschinenlänge zu, was wesentlich
vorteilhafter ist, weil damit das Verhältnis L/T ebenfalls zunimmt.
Die
in Fig. 1 dargestellte elektrodynamische Maschine kann also . wirtschaftlich hergestellt
werden und sie kann ferner gebraucht werden als Wechselstrommaschine mit vergleichsweise
verbesserter Drehzahl und Leistungscharakteristik, wenn die Welle 32 durch einen
geeigneten Antrieb angetrieben wird. Der-Erregerstrom für die Spule 14 kann durch
Gleichrichtung eines Teiles des Wechselstromes am Ausgang der Statorwicklungen 54
gewonnen werden, beispielsweise durch den Gebrauch einer an sich- bekannten Gleichrichterbrücke
aus Halbleitern.@Sobald der-Rotor 10 in Drehung versetzt wird, erzeugt der Restmagnetismus
der Rotorpole in den Statorwieklungen eine Wechselspannung. Dies führt zum weiteren
Aufbau der Felderregung, bis der Wechselstromausgang den gewünschten Werterreicht
hat.
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Fiz. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein
außerhalb des Rotors verlaufender Rückachlußpfad für den Erregerfluh vorgesehen
ist. Die elektrodynamische Maschine dieser Ausführung hat einen Rotor 58, einen
Stator 60, Erregerwicklungen 6; und ein Gehäuse 64. Der Stator besteht aus
einer Mehrzahl von Lamellierten magnetischen Fernen 66, welche.entlang der Maschinenachse
angeordnet und innerhalb des hohlzylindrischen Teiles 68 des Gehäuses 64 unter Zwischenschaltung
eines rohrförmigen Teiles 63 aus nichtmagnetisierbarem Material befestigt sind.
Die Seitenteile 70 und 72 des Gehäuses bestehen aus magnetischem leitendem Material,z.B.
Eisen, während für den Teil 63 rostfreier Stahl oder Messing als amagnetisches
Material verwendet ist. Wie aus.Fig. 1
ersichtlich ist, sind die
Kerne 60 mit Statorwicklung&n 74-ver= sehen. Die Leiter derselben sind in axial
verlaufenden Nuten der Kerne angeordnet und können in der zuvor-beschriebenen Weise
miteinander verbunden sein. Die Statorkerne 66 weisen Bohrungen auf, in welchen
die zugeordneten Pole des Rotors angeordnetsnd. .
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Der in Fig. 3: dargestellte Rotor isteine Zweipol-Tjpe.@Jeder Statorkern
tritt in magnetische Beziehung zu zwei sich axialerstreckenden, kreisförmig angeordneten,
ineinandergreifenden Klauenpolen 75, welche an Polstücken 76 angeformt sind und
vom Statorkern durch einen engen ringförmigen Luftspalt 7? getrennt sind. Diese
Kiauenpolform ist die einfachste mögliche, da nur ein Zahn jedes Polstückes mit
einem Zahn jedes axial nachfolgenden Polstückes zusammenwirkt. Es sind also
drei im wesentlichen . gleiche 1schiefe Polstücke 76 vorgesehen, welche gegenüberliegende
sektorförmige Pole 75 aufweisen und welche sich in Öffnungen der entsprechend zugeordneten
Statorkerne 66 drehen und voneinander durch einen Luftspalt 79 getrennt sind. Sie
sind aber magnetisch durch eine gemeinsame,Nabe oder ein Rohr 8'C miteinander verbunden:.
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Ferner sind noch zwei zusätzliche gegenüberliegende Polstücke 78 vorgesehen,
welche mit den Endkernen 66 zusammenwirken. Jedes Polstück 78 hat einen Einzelpol
75, welcher sich in dem Endkern zusammen mit einem pol 75 des benachbarten Polstückes
76 dreht
Die Endpolstücke-78 haben je einen ringförmigen Nabenpol
80, welcher sich in einer Bohrung des ringzylinderförmigen Ansatzes der magnetischen
Stirnplatten 70-und 72 dreht. Er ist getrennt von dem Ansatz durch einen engen ringförmigen
Duftspalt 81.
Sämtliche Polstücke sind aufgekeilt oder in anderer Weise auf
einer amannetischen Welle 84 befestigt, welche in Zager 86 drehbar gelagert ist.
Die Lager 86 sind vorzugsweise in. Lagerdeckeln 88 aus amagnetischem Material angeordnet,
welche an den Stirnplatten 70 und 72 mittels amagnetischer Schrauben 90 befestigt
sind Zur Aufrechterhaltung der Luftspalte 94 (Fig. 4)sind zwischen den aufeinanderfolgenden
Polstücken amagnetische Stücke 92 (F.ig. 3) angeordnet. Falls es erwünscht ist,
können zur Erzielung eines stabilen Rotors die Duftspalte mit agnetischem Material
ausgefüllt sein. Es können aber auch amagnetische axiale Bolzen (nicht dargestellt)
verwendet werden.
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Die Erregerwicklungen 62 sind konzentrisch um die hohlzylinder:-förmigen
Ansätze 82 der Stirnplatten angeordnet, und zwar an jedem eine. Werden sie mit Strom
beschickt, beispielsweise vom gleichgerichteten Ausgang der Statorw.ckl'.mgen 74,
erzeugen sie einen Erregerfluß, weicher den mit Pfeilen F` bezeichneten Pfaden folgt.
Der Fluß polarisiert die Magnetpole 75, so daß in jedem ringförmigen Statorkern
ein Paar von Polen 75 von entgegengesetzter Polarität rotiert.
Die
Polarisation der Pole 75 erfolgt in ähnlicher Weise, wie bei dem .Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1. Der Fluß überquert den links liegenden Rotorluftspalt 81 von der Gehäuseendplatte
70,
geht durch das Endpolstück 78 und überquert den Rotor-Statorluftspalt
zu dem gegenüberliegenden Statorkern 66. Der Fluß verläuft dann teilweise in diesem
Kern 66, um sich mit den Leitern der Statorwicklung 74 zu verhetten und überquert
dann den Rotor-Statorlüftspalt zu dem Nordpol des nächstfolgenden Rotorpolstüekes
76. Dieser Flußverlauf wird wegen des hohen Widerstandes des amagnetischen Rohres
63 erzwungen.
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Der Fluß wird dann zu dem nächstfolgenden Kern 66 übertragen. Der
beschriebene Weg wiederholt sich solange, bis der Fluß den am anderen Ende angeordneten
Luftspalt 81 des anderen Polstückes 78 überquert. An diesem Funkt des magnetischen
Kreises geht der Fluß durch die Gehäusestirnendplatte 72 und kehrt zurück zu der
Stirnp -lätte 70 durch die Gehäusewand 68. Der magnetische Rückschluß befindet sich
also außerhalb des Rotors 58, so daß die in Fig. 3 dargestellte Maschine als Außenpfadtype
charakterisiert ist.
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Durch die Verwendung eines äußeren Rückschlußpfades können in Bezug
auf das L/T-Verhältnis im Vergleich zu einer Innenpfadmaschine einige Vorteile in
erster Linie dadurch erzielt werden, weil sich der Durchmesser der Maschine mit
zunehmendem Querschnitt des äußeren Pfades praktisch nicht ändert. Darüberhinaus
hat die Maschine nach Pig. 3 noch die Vorteile der in Fg. 1 darges.ellter_: nämlich
Erzielung einer'mehrfachen Flutverkettung durch mehrfache
Ausnützung
eines einzigen Reihenflubpfades. Die Ausführungsform nach Fig. 3 bringt also, ähnlich
wie n@Fig,`1 , ein hohes Verhältnis von Länge-zu-Durchmesser. Sie ist daher für
hohe Geschwindigkeiten und hohe Leistung bei Einfachheit der Konstruktion besonders
geeignet.