-
Synchronmaschine
-
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 genannten Art Es ist eine Synchronmaschine der betreffenden Art
bekannt, bei der der Rotor permanentmagnetisierte Pole aufweist, wobei jeweils benachbarte
Pole ungleichnamig sind. Ein derartiges Polrad hat den Nachteil, daß das Magnetvolumen
des Polrades verhältnismäßig klein ist. Außerdem ist die Herstellung eines Polrades
aus dauermagnetischem Werkstoff schwierig und teuer.
-
Schwierig ist auch die Montage des Polrades auf der Polradwelle.
-
Außerdem haben derartige Synchronmaschinen bei Verwendung als Synchronmotoren
den Nachteil, daß sie sich im stromlosen Zustand nicht frei durchdrehen lassen.
-
Es sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen das Polrad durch eine
entsprechende Wicklung magnetisiert wird, die über Schleifringe gespeist wird, Schleifringe
führen jedoch zu besonderen Kosten und sind außerdem störanfällig. Sie eignen sich
insbesondere auch nicht in den Fällen, in denen das Polrad in einer ÖIfüllun läuft.
Außerdem ist ein besonderer Speisestrom
erforderlich, der zu einem
verringerten Gesamtwirkungsgrad dieser Synchronmaschine führt. Darüber hinaus ist
die zulässige Höchstdrehzahl wegen der auF die Polradwicklung einwirkenden Fliehkräfte
begrenzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchronmaschine der
betreffenden Art zu schaffen, die einfach. und billig, nicht störanfällig und für
sehr hohe Drehzahlen geeignet ist.
-
Die zu schaffende Synchronmaschine soll einen verbesserten Wirkungsgrad
haben und sich im stromlosen Zustand frei durchdrehen lassen.
-
Die der Erfindung zugrundelieqende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen
des Patentansnruchs 1 angegebenen Lehre gelöst.
-
Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine sind die dem Blechpaket
des Ständers zugewandten Enden der Pole-des Polrades gleichnamig magnetisiert, sie
ste]len also immer entweder Nord-oder Südpole dar. Dadurch ist es möglich, die Mittel
zur Magnetisierung der Pole im Gegensatz zu den bekannten Polrädern außerhalb des
Polrades anzuordnen, so daß sich in dem Polrad weder eine Wicklung noch Permanentmagneten
befinden müssen. Dadurch sind sehr hohe Drehzahlen zulässig, und außerdem steht
außerhalb des Polrades genügend Raum für ein ausreichendes Volumen für permanentmagnetisches
Material zur Verfügung. Der magnetische Rückschluß läßt sich in jedem Fachmann geläufiger
Weise ausbilden, um eine über den gesamten Umfang des Luftspalts zwischen Polrad
und Ständer gute magnetische Durchflutung zu erreichen. Das Polrad läßt sich bei
Verwendung als Synchronmotor {echt durchdrehen.
-
Der maanetische Rückfluß für das Polrad erstreckt sich
zweckmäßigerweise
von dem Polrad in Axialrichtung weg, dann radial nach außen und zur Außenseite des
Blechpakets des Ständers, von wo der magnetische Kreis über den Luftspalt zwischen
Ständer und Polrad geschlossen ist. Die Magnetisierungsmittel für die Pole des Polrades
sind dabei zweckmäßigerweise in dem magnetischenRückschußangeordnet. Der Ort kann
dabei grundsätzlich beliebig sein. Die Magnetisierungsmittel können aus einem Permanentmagneten
bestehen, obwohl auch grundsätzlich die Verwendung von Elektromagneten möglich ist,
die den Vorteil einer Regelung der Erregung haben, ohne daß dabei Schleifringe erforderlich
wären.
-
Nach der Lehre des Anspruchs 5 ist der Permanentmagnet radial ein
stationärer/magnetisierter Ringmagnet, dessen Innenfläche über einen Luftspalt einer
zylindrischen Außenfläche einem axialen Polrad gegenüberliegt. Dabei kann der Ringmagnet
zusammen mit dem Blechpaket des Ständers in einem vorzugsweise zylindrischen Gehäuse
angeordnet sien, das ein Teil des magnetischen Rückschlusses darstellt und die genannten
Teile in fester age hält.
-
Eine andere Möglichkeit der Anordnung des Permanentmagneten besteht
darin, daß dieser als axial magnetisierter Ringmagnet ausgebildet ist und mit einer
Radialfläche über einen Luftspalt einer Radialfläche des Polrades gegenüberliegt.
-
Auf diese Weise entfällt ein längerer axialer Fortsatz des Polrades
zur Herstellung des magnetischen Kontakts mit dem Ringmagneten über einen Luftspalt,
so daß entweder ein größeres Volumen für permanentmagnetisches Material zur Verfügung
steht re oder aber kleine/Abmessungen bei gleicher Leistung möglich sind.
-
Eine andere Ano rdnunq des Permanentmagneten besteht darin, daß cr
das slecllpaket des Ständers außen umschließt.
-
In diesem Fall steht besonders viel Raum für das permanentmagnetische
Material zur Verfügung. Die Ausdehnung der gesamten Maschine ist größer, dafür jedoch
die axiale Ausdehnung geringer. Der magnetische Rückschluß zum Polrad erfolgt dabei
wieder über ein Gehäuse, das mit einer a>:ialen Stirnfläche einer entsprechenden
Stirnfläche des Polrades gegenüberliegt, um so den magnetischen Kreis zu schließen.
-
Wird statt eines Permanentmagneten ein Elektromagnet zur Magnetisierung
des Polrades verwendet, so kann dieser grundsätzlich in gleicher Weise wie ein Permanentmagnet
angeordnet werden, wobei sich die Anordnung der Wicklung des Elektromagneten von
selbst ergibt. Die Spule kann z.B. einen axialen zylindrischen Fortsatz des Polrades
umschließen, der im Bereich seines Endes über einen Luftspalt einer Z~linderfäche
eines magnetischen Rückschlusses gegenüberliegt. Zur Verbesserung des magnetischen
Kreises ist es dabei auch zweckmäßig, daß die Spule von einem Tci des magnetischen
stationären Rückschlusses untergriffen wird.
-
Zur Magnetisierung des Polrades können Permanentmagneten und Elektromagneten
gJeichzeitig verwendet werden, um den Grad der Magnetisierung regeln zu können.
Die Spule kann dabei eine Verringerung des durch den Permanentmagneten bewirkten
Flusses oder eine Vergrößerung bewirken.
-
Die Spalte zwischen den Polen des Polrades entsprechen zweckmäßigerweise
der Breite der Pole des Polrades. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn zum Betrieb
der Synchronmaschine
als Synchronmotor der Ständerwicklung Gleichrichter
vorgeschaltet sind, derart, daß in dem Blechpaket des Ständers bei Speisung der
Ständerwicklung mit Wechselspannung ein pulsierendes umlaufendes Gleichfeld gebildet
ist. Das bedeutet in diesem Fall, daß die Lücken zwischen den Polen des Polrades
den durch die Gleichrichtung entfallenden gegensinnigen Polen entsprechen. Das umlaufende
Gleichfeld nimmt somit synchron die gleichnamig magnetisierten Pole des Polrades
mit, wobei natürlich die Polarität zwischen Polrad und Ständer ungleichnamig sein
muß.
-
Das Polrad braucht erfindungsgemäß keine Mittel zur Magnetisierung
der Pole aufzuweisen, sondern lediglich den Fluß außerhalb angeordneter MagnetisierungsmitteJ
zu dem Blechpaket des Ständers zu leiten. Das Polrad kann daher sehr einfach und
sogar aus einem Stück gefertigt sein. Es kann z.B. ein zylindrisches Teil aus Eisen
sein, in das axiale Nuten eingefräst sind. Eine solche Bauform ist in der Lage,
außerordentlich hohe Zentrifugalkräfte aufzunehmen, so daß außerordentlich hohe
Drehzahlen möglich sind.
-
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
-
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Synchronmaschine im Axialschnitt, Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles
gemäß Fig. 1, Fig. 3 zeigt einen Rad i 1 sehn i. Lt durch die Ausführungsbeispiele
gemäß den Fig. 1 und 2
im Bereich des Polrades', 'ig. 4 zeigt im
Axialschnitt eine Abwandlung der Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 mit permanenten
und elektromagnetischen Magnetisierungsmitteln, Fig. 5 zeigt im Axialschnitt ein
Ausführungsbeispiel ähnlich Fig. 1, jedoch mit elektrischer Magnetisierung, Fig.
6 zeigt eine Schaltung zur Erregung der Ständerwicklung, Fig. 7 zeigt im Axialschnitt
ein Ausführungsbeispiel' mit geringer Axialausdehnung, Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel
ähnlich dem in Fig. 7, Fig. 9 ist ein itadialschnitt durch Fig. 8 im Bereich des
Polrades, Fig. 10 ist ein Axialschnitt und Fig. 11 ein Radialschnitt durch ein abyewandeltes
Polrad mit einem Asynchronteil.
-
In E8ig. 1 sitzt auf einer Welle 1 ein Polrad 2 mit Polen 3, wie
das aus dem Radialschnitt in Fig. 3 ersichtlich ist.
-
Zwischen den Polen 3 befinden sich Nuten 4. Der Ständer weist ein
Blechpaket 5 auf, in dem sich Nuten 6 befinden, in die eine Ständerwicklung 7 eingewickelt
ist. In dem Radialschnitt nach Fig. 3 ist aus Gründen der Ubersichtlichkeit die
Ständerwicklung 7 weggelassen.
-
Das Blechpaket 5 sitzt fest in einem zylindrischen Gehäuse 8, das
die Außenseite des Blechpakets 5 magnetisch mit der Außenseite eines radial maynetisierten
Permanentmagneten 9 verbindet, dessen Innenfläche 10 über einen Luftspalt 11 einer
zylindrischen Außellfläclle 12 eines axialen Fortsatzes 13 des
Polrades
2 gegenüberliegt. Zwischen dem Polrad 2 und Polen 14 des Blechpakets 5 befindet
sici ein Luftspalt 15.
-
Das Gehäuse 8 ist außen durch LagerschaJen 16 und 17 geschlossen,
in denen sich Lager 18 und 19 befinden, in denen die Welle 1 gelagert ist.
-
Wie aus Fiq. 3 ersichtlich, ist die Breite der Pole 3 gleich des
Polrades 2 in Umfangsrichtung/der doppelten Breite eines Poles 14 und einer Nut
6 des Blechpakets 5.
-
Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß ein magnetischer Kreis durch das Polrad
2, den Luftspalt 15, das Blechpaket 5, das Gehäuse 8, den Permanentmagneten 9, den
Luftspalt 11 und den zylindrischen Fortsatz 13 des Polrades 2 gebildet ist. Der
Permanentmagnet 9 sorgt für einen c3]eichmäBigen Gleichfluß in diesem magnetischen
Kreis.
-
Fig. 2 zeigt eine Abwandluncj der Ausführungsform gemäß Fig. 1, gleiche
Teile ind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
-
Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß die Synchronmaschine
zu einer durch die Mitte des Polrades verlaufenden Radialebene spiegelbi1dlich ausgebildet
ist, so daß zwei Permanentmagneten 9 vorhanden sind, die zwei magnetische Kreise
speisen, die im Bereich des Blechpakets 5, des Luftspaltes 15 und des Polrades 2
parallel geschaltet sind. Auf diese Weise ist der magnetische Fluß im Bereich des
Luftspaltes 14 entsprechend erhöht.
-
Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß am Fuß des Fortsatzes
13 Einschnürungen 20 vorgeshen sind, die ein seitliches Eintreten der Flußlinien
aus dem Fortsatz 13 in das Blechpaket 5 verhindern sollen.
-
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, dag weitgehend
dem
gemäß Fig. 1 entspricht, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Im Unterschied zu FiQ. 1 ist der Fortsatz 13 verlängert ausgebildet und von einer
stationären Spule 21 umschlossen, die bei Speisung einen entsprechenden Fluß in
dem Fortsatz 13 erzeugt, und zwar je nach Stromrichtung entweder den Fluß in dem
magnetischen Kreis unterstützend oder verringernd. Mit der Spule 21 ist also eine
Regelung möglich.
-
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Fig. 4, gleiche Teile sind mit aleichen
Bezugsziffern versehen. Ein Unterschied besteht darin, daß kein Permanentmagnet
vorhanden ist. Außerdem ist eine Spule 22, die im Prinzip der Spule 21 gemäß Fig.
4 entspricht, von einem axialen zylindrischen Fortsatz 23,der Lagerschale 16 untergriffen,
die einen Teil des magnetischen Rückschlusses bildet.
-
Fig. 6 zeigt eine Schaltuncj für Einzelwicklungen 24-27 der Ständerwicklung
7, die über Dioden 28-31 gespeist sind, derart, daß in dem Blechpaket des Ständers
bei Speisung der Ständerwicklung mit Wechselspannung ein pulsierendes umlaufendes
Gleichfeld gebildet ist, wobei für die übliche Phasenverschiebung ein Kondensator
32 vorgesehen ist.
-
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Polrad 33 auf einer
Welle 34 sitzt, die in Lagern 35 und 36 gelagert ist, die von einem Gehäuse 37 gehalten
sind, das ein Blechpaket 38 mit einer Ständerwicklung 39 hält.
-
An dem Gehäuse 37 sind innen axial magnetisierte Permanentmagneten
40 und 41 angebracht, die über Luftspalte 42 und 43 entsprechenden Radialflächen
des Polrades 33 gegenüberliegen.
-
Es sind somit zwei macJnotische Kreise gebildet, in denen jeweils
die Permanentmagneten 4() und 41 und Teile des Gehäuses 37 liegen und über das Blechpaket
38, einen Luftspalt 42 und das Polrad 33 parallelgeschaltet sind.
-
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Polrad
43 auf einer Welle 44 sitzt, die in Lagern 45 und 46 gelagert ist, die von einem
Gehäuse 47 gehalten sind, das gleichzeitig einen magnetischen Rückschluß darstellt.
-
Innerhalb des Gehäuses 47 ist ein Permanentmagnet 48 angeordnet,
der radial magnetisiert ist und von dem aus sich nach innen ein Blechpaket 49 mit
einer Ständerwicklung 50 erstreckt.
-
Der von dem radial magnetisierten Permanentmagneten 48 erzeugte Fluß
fließt also durch das Blechpaket 49, einen Luftspalt 51, das Polrad 43, Luftspalte
52 und 53 und das Gehäuse 47.
-
Fig. 9 zeigt einen Radialschnitt durch Fig. 8 im Bereich des Polrades
43, des Blechpakets 49, des Ringmagneten 48 und des Gehäuses 47. In Fig. 9 ist aus
Gründen der Ubersichtlichkeit die Ständerwicklung 50 weggelassen.
-
Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen können die Pole zur
Erzeugung einer Unwucht zentralunsymmetrisch angeordnet sein. Zum Beispiel kann
das Polrad nur einen Pol aufweisen. Andererseits kann in umgekehrter Weise bei einem
mehrpoligen Polrad ein Pol weggeiasse sein. Auf diese Weise ergibt sich eine Unwucht,
die zur Erzeugung von Rotationsschwingungen erwünscht sein mag.
-
Fig. 10 zeigt im Axialschnitt und Fig. 11 im Radialschnitt ein abgewandeltes
Polrad, das z.B. bei der Ausführungsform
gemäß L'ig. 1 in ents£>rechender
Größenanpassung verwendet werden kann. Das Polrad weist einen zentralen zylindrischen
Eisenkern 54 auf, in dem sich eine axiale Bohrung 55 befindet, in der eine Welle
wie die Welle 1 in Fig. 1 einpreßbar ist.
-
Auf eine Zylinderfläche 56 ist ein Teil 57 aufgepreßt, das gemeinsam
durch einen zylindrischen, geblechten Eisenkern 58 und von diesem aus sich radial
nach innen erstreckende geblechte Pole 59 gebildet ist. Nuten 60 und 61 sowie zwischen
den Polen 59 gebildete Zwischenräume 62 sind mit Aluminium ausgegossen, so daß in
den Nuten o0 und 61 in bekannter Weise die Stäbe einer Käfigwicklung gebildet sind,
die stirnseitig durch einen Ring kurzgeschlossen sind.
-
Innenflächen 6) der gebleciiten Pole 59 wie auch das in die Zwischenräume
u2 eingegossene Aluminium bilden zusammen eine Zylinderfläche, die durch Abdrehen
sehr genau ist und fest auf der Zylinderfläche 56 des zylindrischen Eisenkerns 54
sitzt.
-
Die inneren Enden der Pole 59 brauchen aus magnetischen Gründen zwar
nicht geblecht zu sein, jedoch ist die Herstellung der Pole 59 als Ansätze an den
Blechen des zylindrischen Eisenkerns 58 besonders einfach und kostensparend, indem
die Zwischenräume 62 zwischen den Polen 59 nicht besonders ausgearbeitet zu werden
brauchen. Magn<'tische Nachteile sind mit dieser Ausführung praktisch nicht verhunden.
-
In Umfangsrichtung besteht zwar durch den zylindrischen Eisenkern
58 ein geringfügiger magnetischer Kurzschluß zwischen den äußeren Enden der Pole
59, jedoch ist dieser wegen der Größe der Nuten 60 und der in Umfangsrichtung verbleibenden
dünnen Stege 64 und 65 nur gering, so daß er in der Praxis
nicht
weiter in Erscheinung grill. Oic Nuten 61 iffi Bereich der Pole 59 sind in UmfangsrichLung
schmaler, so daß der Querschnitt der Pole 59 dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt
wird.
-
Bei Betrachtung der Fig. 11 ist zu ersehen, daß das Polrad vier ausgeprägte
Pole 59 ähnlich dem Polrad 43 gemäß Fig. 9 aufweist, denen im radial äußeren Bereich
der zylindrische, geblechte Eisenkern 58 mit der Käfigwicklung überlagert ist. Auf
diese Weise erhält der Läufer bei Schlupf z.B. während des Anlaufs in starkem Maße
Asynchroncharakter, während bei sich verringerndem Schlupf die ausgeprägten Pole
einen synchronen Umlauf sicherstellen.