DE2844590A1

DE2844590A1 - Scheibenankermaschine

Info

Publication number: DE2844590A1
Application number: DE19782844590
Authority: DE
Inventors: John Frederick Prof Eastham; Peter David Dr Evans
Original assignee: Kgel Ltd
Current assignee: Kgel Ltd
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-13
Publication date: 1979-04-26
Also published as: IT1100329B; AR214593A1; AU4077778A; IL55739A; LU80367A1; ATA745178A; IT7828806A0; IL55739A0; JPS5493407A; CA1116682A; NO783466L; AT364024B; GR65005B; NZ188658A; PT68659A; BR7806821A; US4281265A; SE7810243L; NL7810377A; DK462078A

Description

DR.-ING. DIPL-ING. M. SC. DiPL.-PHYS. ΠΡ, OIPL-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART ^C O H 4· 0 9 U

A 43 099 b Anmelder: KGEL LIMITED

k - 163 Kennedy Tower, St. Chads,

S.Oktober 1978 Queensway

Birmingham B4 6EL

England

Beschreibung : Scheibenankermaschine

Die Erfindung betrifft eine Scheibenankermaschine mit einem Stator, von dem in axialer Richtung Zähne abstehen, mit einem Rotor, der derart angeordnet ist, dass sich zwischen ihm und den Zähnen ein axialer Spalt ergibt, mit einer Wechselstromwicklung, die durch die Schlitze zwischen den Zähnen gewickelt ist, und mit einer Gleichstromwicklung, die mit dem Stator zus ammenwi rk t.

Derartige Maschinen werden auch als Maschinen mit axialem Spalt bezeichnet und sind aus der US-PS 3 261 998 bekannt, die in den Fig. 9 und 10 eine Scheibenankermaschine zeigt, bei der der Stator in axialer Richtung abstehende Zähne aufweist, bei der der Rotor in axialer Richtung im Abstand von dem Stator angeordnet ist, bei der die Wechselstromwicklung durch die Schlitze zwischen den Zähnen des Stators hindurchgewickelt ist und bei der die Gleichstromwicklung um den Stator herumgewickelt ist. Der magnetische Kreis wird bei dieser Maschine über ein zylindrisches Bauteil geschlossen, welches den Rotor umgibt, wobei der magnetische Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor teilweise in radialer Richtung verläuft. Diese bekannte Scheibenankermaschine hat den Nachteil,

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dass sie aufgrund der Tatsache, dass die ausserhalb der Zähne liegende Wicklung aufgenommen werden muss, einen grossen Durchmesser haben muss, wodurch die zulässige Drehzahl reduziert wird. Aus Fig. 12 der gleichen US-PS ist ferner eine Scheibenankermaschine bekannt, bei der der Gleichstrom durch den Stator selbst fliesst, welche kreisringförmig nach Art eines Bandkerns aufgebaut ist, wobei der magnetische Kreis durch ein zentrales magnetisches Element des Stators verläuft. Da bei dieser Maschine der magnetische Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor in axialer Richtung verläuft, sind die axialen Kräfte, --<ÜR-ii»isehen. denr-Stater^-und" dem Rotor wirksam werden, unerwünscht hoch.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Scheibenankerraaschine anzugeben, welche auch für hohe Drehzahlen geeignet ist und bei der die axialen Kräfte zwischen dem Stator und dem Rotor auf ein Minimum reduziert sind.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch eine Scheibenankermaschine der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stator einen zentralen Zapfen aufweist, der in die gleiche Richtung vorsteht wie die Zähne, und dass der Rotor eine zentrale Öffnung aufweist und derart drehbar montiert ist, dass der Zapfen in die zentrale Öffnung eingreift.

Dabei ist unter einer Wechselstromwicklung eine Wicklung zu verstehen, welche in Betrieb mit Wechselstrom gespeist wird, während unter einer Gleichstromwicklung eine Wicklung zu ver-

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stehen ist, die in Betrieb mit Gleichstrom gespeist wird.

Die Gleichstromwicklung erzeugt ein magnetisches Feld, welches dazu bestimmt ist, dem Rotor Energie zuzuführen, so dass dieser keine Wicklung benötigt, die über Gleichstromschleifringe gespeist wird.

Da der Zapfen die Öffnung des Rotors durchgreift bzw. in diese eingreift, verläuft der magnetische Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor teilweise in radialer Richtung durch die axialen Kräfte, die zwischen dem Stator und dem Rotor wirksam sind, verringert werden. Ausserdem kann in Ausgestaltung der Erfindung die Gleichstromwicklung auf dem Zapfen aufgebracht werden und liegt somit innerhalb der Zähne, so dass der Durchmesser der Maschine verringert wird und folglich die zulässige Drehzahl der Maschine erhöht werden kann. Die Leistung der Maschine ändert sich aber in Abhängigkeit vom Quadrat der Rotordrehzahl. Schliesslich kann bei einer Scheibenankermaschine gemäss der Erfindung der Weg für den magnetischen Fluss relativ kurz gehalten werden, wodurch die Kosten für die Maschine verringert werden.

Die erfindungsgemässe Scheibenankermaschine kann einseitig ausgebildet sein, d.h. derart, dass ein Rotor nur auf einer Seite des Stators vorhanden ist, so dass an dem Rotor eine axiale Kraft angreift, die eine Folge des magnetischen Flusses in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor ist. In diesem Fall führt der magnetische Fluss zwischen den Zähnen und dem Rotor zu einer gewissen axialen Kraft, obwohl der magnetische Fluss

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zwischen dem Zapfen und dem Rotor in radialer Richtung verläuft und keine axialen Kräfte zur Folge hat.

Vorzugsweise ist der Stator lamelliert bzw. aus einzelnen Blechen aufgebaut und kann somit relativ billig hergestellt werden.

Üblicherweise wird der Stator/feiner Scheibenankermaschine sei es ein Motor oder ein Generator - in der Weise hergestellt, dass zunächst ein Bandkern gewickelt wird, in dem dann maschinell Schlitze erzeugt werden, um die Zähne des Stators zu erhalten, wie dies in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, in der der Grundkörper des Kerns mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist und Zähne 2 trägt, die durch Schlitzei3 voneinander getrennt sind. Diese Form ist wegen der Anzahl der nötigen Bearbeitungsvorgänge teuer.

Günstig ist es, wenn der Stator der erfindungsgemässen Scheibenankermaschine ein rundes Blechpaket aufweist, an dem mehrere geblätterte radiale Kerne befestigt sind.

wenn
Günstig ist es auch,/die radialen Kerne L-förmig ausgebildet sind und wenn ihr einer Schenkel zwischen Klemmplatten festgelegt ist, die in radialer Richtung über den runden Blechkern vorstehen. Dabei ist der runde Blechkern vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Vorteilhaft ist es auch, wenn der Stator aus L-förmigen geblätterten Kernen aufgebaut wird, deren einander entsprechende Schenkel an ihren Enden keilförmig ausgebildet sind, derart, dass sie um den zentralen

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Zapfen herum zusammenpassen. Bei dieser Ausführungsform sind also die keilförmig zugespitzten Schenkel der einzelnen Kerne wie die von einem Mittelpunkt ausgehenden Speichen eines Rades angeordnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend noch anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Stators einer bekannten Scheibenankermaschine, die bereits vorstehend erläutert wurde;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Scheibenankermaschine gemäss der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Stators einer erfindungsgemässen Scheibenankermaschine;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Stators einer erfindungsgemässen Scheibenankermaschine;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Stators einer erfindungsgemässen Scheibenankermaschine;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Scheibenankermaschine gemäss Fig. 2 mit einigen in der Praxis vorhandenen Details, teilweise im Schnitt und

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Fig. 7 eine Draufsicht auf den Rotor der Scheibenankerraaschine gemäss Fig. 6.

Wie Fig. 2 zeigt, besitzt ein erfindungsgemässer Homopolar-Scheibenankermotor einen Stator/mit einem an einem Ende geschlossenen Zylinder 1, von dem Zähne 2 abstehen. Weiterhin ist ein zentraler Zapfen 3 vorgesehen, der in axialer Richtung über die Zähne 2 vorsteht. Eine Wechselstromwicklung 4 ist unter Ausnutzung der Schlitze zwischen den Zähnen 2 auf den Stator gewickelt, während eine Gleichstromwicklung25 um den Zapfen 3 gewickelt ist. Ein stabförmiger Rotor 6 mit gleichen Polen an seinen Enden besitzt eine zentrale Öffnung 8, mit deren Hilfe er drehbar auf dem Zapfen 3 montiert ist, und ist angrenzend an die Zähne 2 derart angeordnet, dass sich ein axialer Spalt bzw. Luftspalt zwischen den Zähnen 2 und dem Rotor 6 ergibt.

Bei dem betrachteten Scheibenankermotor führt der magnetische Fluss zwischen dem Zapfen 3 und dem Rotor 6 nicht zu axialen Kräften; axiale Kräfte werden jedoch aufgrund des magnetischen Flusses zwischen den Zähnen 2 und dem Rotor 6 erzeugt.

Wie Fig. 6 zeigt, ist der Rotor 6, der aus Weicheisen besteht, mittels eines Distanzstückes 9 aus unmagnetischem rostfreiem Stahl an einer Welle 10 aus Weicheisen befestigt, die in Lagern 11 drehbar gelagert ist.

12 Gemäss Fig. 3 der Zeichnung weist der Stator/in der Mitte ein

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geblättertes Blechpaket/auf, an dem radiale Kerne 5 befestigt sind, welche die Zähne bilden, von denen jeder aus einem Paket

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von in radialen Ebenen liegenden Blechen aufgebaut ist. Die Zähne bzw. die radialen Kerne sind dabei rund um den Umfang des zylindrischen Blechpakets 19 angeordnet.

Diese Konstruktion ist etwas idealisiert. Die Maschinenwicklung ist in üblicher Weise unter Ausnutzung der Zwischenräume zwischen den radialen Kernen 5 als Maschinenschlitze auf die Zähne gewickelt.

Fig. 4 zeigt eine in der Praxis vorteilhafte Anordnung mit einem zentralen zylindrischen Blechpaket 19 und mit L-förmigen radialen Kernen 5, die aus L-förmigen Blechen aufgebaut sind. Einander entsprechende Schenkel 20 der Kerne 5 sind zwischen Klemmplatten 17,18 festgeklemmt, welche auch an der Ober- und Unterseite des zentralen zylindrischen Blechpakets 4 anliegen.

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Der in Fig. 5 der Zeichnung gezeigte Stator/besteht aus geblätterten bzw. aus einzelnen Blechen zusammengesetzten L-förmigen Kernen 15, deren einander entsprechende Schenkel 16 verlängert und an einem Ende keilförmig ausgebildet sind, damit sie zusammenpassen. Die Kerne 15 sind aus einzelnen Blechen zusammengesetzt, die jedoch im Gegensatz zu dem Aufbau der radialen Kerne des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 4 nicht in radialen Ebenen liegen. Die aus Fig. 5 ersichtliche Lage der einzelnen Lamellen bzw. Bleche wird gegenüber denjenigen gemäss Fig. 4 bevorzugt.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind radiale Schlitze gezeigt, die jedoch abgewandelt werden könnten, um abgeschrägte Schlitze zu erhalten.

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Scheibenankermotoren gemäss der Erfindung sind zur Verwendung als Antriebsmotoren für batteriebetriebene Fahrzeuge geeignet. In diesem Fall kann der Scheibenankermotor eine Synchronmaschine sein, die von der Batterie über einen InverterygespeislPwird. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Rotor ein passives Stahl- bzw. Weicheisenbauteil mit primärseitiger Erregung, so dass der mit Wicklungen versehene Primärteil, d.h. der Stator, bei einem Fehler schnell ersetzt werden kann, während der Rotor mit der ihm zugeordneten Lagerung an Ort und Stelle verbleibt. Die Verwendung eines Synchronmotors anstelle eines Induktionsmotor bringt, wie dies in der GB-PS 1 402 321 beschrieben ist, den Vorteil mit sich, dass der Inverter frequenzmässig starr mit der Rotordrehzahl gekoppelt werden kann, wobei in diesem Fall Sensoren zum Erfassen der Position des Rotors an dem Stator angeordnet und zur Steuerung des Inverters verwendet werden könnten.

In diesem Fall können die Schaltvorgänge so gesteuert werden, dass sich ein Drehkraftwinkel von 90 elektrischen Graden zwischen den Statorpolen und den Rotorpolen ergibt. Dies führt zu verringerten Axialkräften und zu einem maximalen Drehmoment.

Der Inverter könnte relativ einfach aufgebaut sein. Ausserdem kann eine Synchronmaschine im Vergleich zu einer Induktionsmaschine mit einem relativ günstigen Wirkungsgrad betrieben werden, so dass der von den Lastschalteinrichtungen des Inverters zu schaltende Strom vergleichsweise niedrig sein kann, was ebenfalls sehr vorteilhaft ist.

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Claims

OR.-ING. DIPL.-ING.M. Sr. PIPL-PHVS-CR DIPL-PHYS.

HÖGER-STELLREC HT - G-R-ESSeACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART .

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A 43 099 b Anmelder: KGEL LIMITED

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England

Patentansprüche :

1.) Scheibenankermaschine mit einem Stator, von dem in axialer Richtung Zähne abstehen, mit einem Rotor, der derart angeordnet ist, dass sich zwischen ihm und den Zähnen ein axialer Spalt ergibt, mit einer Wechselstromwicklung, die durch die Schlitze zwischen den Zähnen gewickelt ist, und mit einer Gleichstromwicklung, die mit dem Stator zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12 ,) einen zentralen Zapfen (3) aufweist, der in die gleiche Richtung vorsteht wie die Zähne (2), und dass der Rotor (6) eine zentrale öffnung (8) aufweist und derart drehbar montiert ist, dass der Zapfen (3) in die zentrale öffnung (8) eingreift.

2. Scheibenankermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12)als geblätterter Stator ausgebildet ist, auf den die Wechselstromwicklung (4) aufgewickelt ist.

3. Scheibenankermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) ein rundes Blechpaket (19) aufweist, an dem mehrere radiale, geblätterte Eisenkerne (5) befestigt sind.

4. Scheibenankermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Eisenkerne (5) L-förmig ausgebildet

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sind und dass ihr einer Schenkel (20) zwischen Klemmplatten (17,18) festgelegt ist, die in radialer Richtung über das runde Blechpaket (19) vorstehen.

5. Scheibenankermaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das runde Blechpaket (19) zylinderförmig ausgebildet ist.

6. Scheibenankermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass der Stator (12)· aus L-förmigen geblätterten Eisenkernen

(15) aufgebaut ist, deren einander entsprechende Schenkel

(16) an ihren Enden derart keilförmig zugeschnitten sind, dass die keilförmig zugeschnittenen Enden eine zumindest im wesentlichen geschlossene Kreis cdngflache bilden.

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