Dynamoelektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Ma schine mit einem ein- oder mehrphasig bewickelten Sta- tor und einem für den von,der Sbatorwicklung erzeugten Fluss Flusswege bildendes, magnetisierbares Material enthaltenden Rotor, wobei das magnetisierb,are Material derart angeordnet ist,
dass .der Wert des magnetischen Widerstandes des magnetischen Kreises von der Rotor- stellung bezüglich des Stators abhängig ist.
Dynamoelektrische Maschinen, z. B. Reluktanz- maschinen, enthalten einen Teil, gewöhnlich den Stän der, der mit einer Einphasen- oder Mehrphasen-Wech- selstromwicklung versehen ist, und einen anderen Teil, gewöhnlich den Läufer, der Achsen von kleinstem und grösstem magnetischem Widerstand aufweist, genannt die Längs- bzw. Querachse (des Magnetfeldes).
Beim Speisender Wechselstromwicklung auf dem einen Teil zur Erzeugung einer magnebomotorischen Kraft wirkt auf den anderen Teil eine Tendenz, sich so auszurichten, dass seine magnetische Längsachse mit .der Achse der magnetomotorischen Kraft zusammenfällt. Diese Ten denz bewirkt ein Drehmoment und dadurch eine Motor wirkung. Bei einer guten Konstruktion sollte der magne tische Widerstand der Längsachse möglichst klein und der magnetische Widerstand der Querachse möglichst gross sein.
Dies führt zu einem Motor von grösster Lei stung und kleinstem Maggnetisierungsstrom, was wieder um höchsten Wirkungsgrad und Leistungsfaktor zur Folge hat.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine @dynamo- elektrische Maschine mit einem Läufer neuartiger Kon struktion zu schaffen, der zur Verwendung in Reluk- banzmaschinengeeignet ist.
Die erfindungsgemässe Maschine ist dadurch ge kennzeichnet, dass das magnetisierbare Material magne- tisch anisotropisch isst und aus Blechpaketen besteht, de ren Blech," sich praktisch parallel zur Maschinenachse erstrecken.
Die Bleche sind vorzugsweise so gebogen, dass sie einen zwischen benachbarten Polen entgegengesetzter Polarität verlaufenden Magnetfluss bewirken. Die Bleche sind zweckmässig aus kaltgewalztem, kornorientiertem, elektrischem Stahlblech hergestellt.
Bei einer derartigen Anordnung ist die Differenz zwischen dem grössten und dem kleinsten magnetischen Widerstand grösser als bei konventionellen Maschinen, bei welchen die Blechpakete, unabhängig davon, ob sie ganze Einzelpole oder lediglich Kreissegmente bilden, in zur Wellenachse senkrechten Ebenen angeordnet sind.
Der grössere Unterschied zwischen den magnetischen Widerständen rührt nicht nur von der Tatsache her, dass der Magnetfluss die Bleche senkrecht durchdringen muss, :d. h. in der Richtung des grössten: Widerstandes, sondern auch und vor allem von der Tatsache, dass bei dieser Konstruktion die magnetomotorische Kraft in der Querachse praktisch gleich Null ist und deshalb über haupt keine magnetomotorische Kraft zur Erzeugung eines Flusses vorhanden ist.
Dies wird aus folgendem verständlich. Wenn man annimmt, dass das magnetische Potential oder die magnetomotorische Kraft des Ständers sinusförmig ver- teilt ist und gegeben Bist durch F - sin (w1 -h w2) wobei w1 der Winkel der Läuferquerachse und w2 der Winkel ist, um den die Lage des Wertes Null der magnetomotorischen Kraft des Ständers von der Lage der Läuferquerachse abweicht,
wenn man eine zwei polige Maschine voraussetzt. Wenn man weiter annimmt, dass zwischen den Blechen kein Fluss verläuft, sondern nur längs der Bleche, so wird das magnetische Potential des Läufers F - cos w1 - Sin w2 und die reine magnetische Potentialdifferenz am Luft spalt (zwischen Ständer- und Läuferpotential) ist F - sin w1 - Cos w2 In der Lage der Querachse gilt a1 = jc/2 so dass praktisch keine Differenz des magnetischen Po tentials am Luftspalt vorhanden ist,
weshalb der Fluss gleich Null wird und der magnetische Widerstand gegen unendlich geht. Praktisch ist am Luftspalt eine sehr klein;, magnetomotorische Kraft vorhanden, die auf einem Wege senkrecht durch die Bleche und quer zum nichtmagnetischen Isolierraum wirkt. Trotzdem ist die neue Konstruktion der konventionellen bezüglich der grösseren Differenz zwischen grösstem und kleinstem magnetischen Widerstand weit überlegen, da bei einer konventionellen Konstruktion die magnetomotorische Kraft am Luftspalt in der Querachse nicht gleich Null wird, woraus ein kleinerer Wert des grössten magneti schen Widerstandes resultiert.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläu tert. Es zeigt: Fig. 1 eine Ansicht senkrecht zur Achse eines Re- luktanzmotors, Fig. 2 die Weise, in der der Läufer nach Fig. 1 her gestellt werden kann, Fig.3 eine Methode zur Befestigung der Blech pakete des Läufers nach Fig. 1, Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Querachse eines Läufers, zur Erläuterung einer anderen Befestigungsart, Fig. 5 eine andere Läuferform,
Fig. 6 wie der Läufer nach Fig. 5 hergestellt werden kann, Fig. 7 wie auch Fig. 8 je eine -andere Form der Läu ferkonstruktion, Fig.9 eine Ansicht in Richtung der Welle eines zweipoligen Reluktanzmotors, Fig. 10 eine abgewandelte Form eines zweipoligen Läufers, Fig. 11 wie das Prinzip des Polwechsels dazu ver wendet werden kann,
um einen synchronen Lauf bei hal ber Geschwindigkeit zu erzielen, und Fig. 12 die Erzeugung von Magnetschlüssen gröss- ten oder kleinsten magnetischen Widerstandes bei einem Drittel der Höchstdrehzahl.
In Fig. 1 ist eine vierpolig: Reluktanzmaschine dar gestellt, die einen Ständer 1 enthält, der mit einer (nicht dargestellten) vierpoligen Einphasen- oder Mehrphasen- Wechselstramwicklung konventioneller Art versehen ist, und einen Läufer 2, der auf einer Welle 3 im Ständer 1 drehbar ist.
Der Läufer 2 enthält magnetisierbares Ma terial, das so ausgeführt ist, um einen Magnetschluss von kleinstem magnetischen Widerstand für den von der Ständerwicklung erzeugten Magnetfluss zu bewirken, wie dies durch die gestrichelten Linien 4 dargestellt ist, wenn sich der Läufer in der einen Lage befindet, die als die Lage der Längsachse bezeichnet wird.
Für diesen Zweck sind vier Pakete von Blechen 5 vorgesehen, die sich im allgemeinen parallel zur Rotationsachse des Läu fers erstrecken, und jedes Paket ist in der aus Fig. 1 er sichtlichen Weise gebogen, um einen Weg für den ma- gnetischen Fluss zu schraffen, wenn sich :der Läufer in der in Fig. 1 gezeigten Lage der magnetischen Längs achse befindet.
Man erkennt, dass bei einer derartigen Konstruktion der Läufer einen viel höheren magneti schen Widerstand darstellt, wenn er um 90 e1. in die Lage der magnetischen Querachse bewegt wird, da in der Lage der Querachse der Magnetfluss im allgemeinen senkrecht zu den Blechen verläuft.
Eine Anordnung zur Herstellung der Blechpakete 5 ist in Fig. 2 gezeigt. Ein fomlaufendes Band aus magne- tisch-anisotropem Material von einer Breite etwa gleich der gewünschten Länge des Läufers wird um ein kreis förmiges Formstück 10 gewickelt und dann längs der Linien 11 und 12 in vier Teile zerschnitten, die dann in die durch die Kurvenlinien 13 gezeigte Form gebracht werden. Die vier Blechstapel können dann auf der Welle 3 mittels sich radial erstreckender Bolzen 6 befestigt werden, wie dies in Fig. 3 noch deutlicher gezeigt ist.
Wenn die Welle 3 aus Stahl besteht, so sollten die Bolzen 6 aus nichtmagnetischem Material bestehen, was aber nicht erforderlich ist, wenn eine nichtmagnetische Welle verwendet wird. Die verbleibenden Teile 7 und 8 des Läufers 2 können aus Aluminium oder einem anderen geeigneten nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Ma terial hergestellt werden. Wenn eine Vergrösserung der Polbreite und damit eine Verkleinerung der Breite der Teile 8 des Rotors gewünscht wird, können diese Teile aus weichem Eisen hergestellt werden.
Anstelle der Verwendung mit radialen Befestigungs bolzen können die Blechpakete in der aus Fig. 4 ersicht lichen Weise befestigt werden, die eine Ansicht parallel zur Läuferachse zeigt, in einer Ebene durch die Quer achse, und die die Verwendung von mit Flanschen ver- sehenen Halteringen 9 aus nichtmagnetischem Material zum Befestigen der Pakete und der Teile 8 zeigt. Die Teile 7, 8 und 9 können durch Giessen aus Aluminium hergestellt werden.
Man erkennt, dass die Polbreite durch die Stärke des mit Band bewickelten Kernes bestimmt wird, der zur Herstellung des Läufers verwendet und in Fig. 2 gezeigt ist. Während es bei den bisherigen Ausführungsformen unter Verwendung der konventionellen Konstruktion er forderlich war, die Polbreite auf ungefähr die Hälfte des Polabstandes zu begrenzen, um eine Verringerung des magnetischen Widerstandes der Querachse zu vermei den, ist es nun mit der hier beschriebenen Anordnung möglich, die Polbreite zu vergrössern und dadurch den magnetischen Widerstand in der Längsachse zu reduzie ren, ohne den magnetischen Widerstand in der Quer achse entsprechend herabzusetzen.
Fig. 5 zeigt eine modifizierte Läuferform, die eine engere Polbreite von ungefähr 50 11110 des Polabstandes hat, was bei bestimmten Ständerkonstruktionen er wünscht ist.
Bei dieser Anordnung haben gleiche Teile die gleichen Überweisungsziffern auf Fig. 1, und die vier Blechstapel können durch gegossene Aluminium-End- flansche in ihrer Lage und durch Teile 7 und 8 zusam mengehalten werden. Es können entweder Schrauben oder Befestigungsbolzen mittels nach den Linien 14 zen trierter Bolzen verwendet werden, wie auch zusätzlich weitere Befestigungsbolzen längs der Linien 15,
die die zwei Hälften eines Spaltpoles ganz durchdringen. Bei dieser Konstruktion werden die Aluminiumteile 7 und 8 getrennt hergestellt und mit Aluminiumendflanschen verschraubt.
Der in Fig. 5 :dargestellte Läufer kann in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise hergestellt werden. Bei dieser Form wird ein fortlaufendes Blechband von einer Breite, die der gewünschten Länge der Bleche des Läufers ent spricht, um einen Kern 16 gewickelt, und die so erhal- itene Spule wird dann längs der Linien 17 in Fig. 6 zer- ,schnitten, während die endgültige Form der Blechpakete der Kurve 18 folgt.
Während bei den in Fig. 1 und Fig. 5 erläuterten Ausführungsformen ein Blechstapel einen magnetischen Wcg zwischen benachbarten Polen bildet, ist es auch möglich, mehr als ein Blechpaket zur Erzeugung paralle ler Flusspfade zu verwenden. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 -erläutert, :die einen vierpoligen Läufer mit zwei Blechstapeln 31 und 32 zeigt, die sich parallel zur Achse des Läufers erstrecken und die je einen Flusspfad für Magnetflüsse zwischen benachbarten Polen bilden. Die Blechpakete 31 und 32 sind durch Teile 33 aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material, z. B. aus Aluminium, getrennt.
Die Unterteilung der Blech pakete durch elektrisch leitendes Material reduziert den Querfluss sowohl bei statischen wie auch bei sich ändern den Flussverhältnissen und wirkt als Wirbelstromwick- lung beim Anlauf. Es können mehrere solche Untertei lungen und Blechpakete verwendet werden.
Da es zum Starten erwünscht ist, dass der grösste Teil des elektrisch leitenden Materials in der Nähe der Läuferoberfläche vorhanden: ist, kann die Anordnung nach Fig. 7 in der aus Fig. 8 ersichtlichen Weise modifi ziert werden. Die Anordnung nach Fig. 8 enthält .auch Flusspfade von annähernd konstantem Querschnitt im Läufereisen.
Fig. 9 stellt einen zweipoligen Läufer dar, in dem gleiche Teile die ;gleichen Überweisungsziffern wie in Fig. 7 haben. Die nichtmagnetischen Teile des Läufers können durch einen einzigen Giessprozess hergestellt werden, unter Verwendung von Aluminium oder können auch getrennt gefertigt werden, wenn eine Schraubkon- struktion angewendet wird.
Eine andere Konstruktionsform, vorzugsweise für eine zweipolige Maschine, ,ist in Fig. 10 erläutert. In die ser Ausführungsform sind die Blechpakete 31 und 32 von ebenen Kernen abgeschnitten oder getrennt aus ebenen Flächen zusammengesetzt. Anstelle einer durch den Läufer gehenden zentralen Welle können Halbwel len 34 verwendet werden, deren Enden so geformt sind, dass sie in Aussparungen 35 passen, .die in den Enden ,der Kerne vorgesehen ,sind, und die Flansche 36 der Halbwellen sind mit Endflanschen des Läufers ver schraubt.
Wenn eine Verstärkung ides Flusses der axialen Wir belströme in den Läuferblechpaketen ebenso wie im Läufer gewünscht wird, kann Aluminium oder elektrisch leitendes Material. zur Vergrösserung des Anlauf-Dreh- momentes verwendet werden, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen .den Enden -der Magnetkerne und den inneren Flächen der Endflansche, wie z. B.
Aden in Fig. 4 gezeigten Flanschen 9, vorgesehen werden kann.
Zur weiteren Reduzierung des Magnetisierungsstro- mes und zur Verbesserung des Leistungsfaktors kann eine Permanenterreg ng für ,den Läufer durch Einbetten von Permanentmagneten in :diesen .erzielt werden. Diese können die Form der Teile 33 in Fig. 7 haben. Ebenso können auch Teile des von magnetisierbaren Material eingenommenen Raumes für aderartige Magnete verwen det werden.
Ebenfalls kann bei ;der neuen Konstruktion vom Prinzip der Polumschaltung der Ständerwicklung bei fester Läuferpolzahl Gebrauch gemacht werden.
Fig. 11 zeigt eine entsprechende Ansicht eines zwei- poligen Läufers, der sich in einem vierpoligen Ständer magnetfeld des magnetischen Potentials P., gegeben durch F - sin 2w1 befindet. Fig. 11a zeigt den Läufer in der Lage seines kleinsten magnetischen Widerstandes oder seiner Längsachse und Fig. 11b zeigt den Läufer bei grösstem magnetischen Widerstand oder in der Lage der Querachse.
In der magnetischen Längsachse verläuft der Magnetfluss in Richtung der gestrichelten Linien und das Läufer-Magnetpotential ist gleich Null. Die flussdichte Verteilung längs der Läuferblechpakete von a bis c ist im Diagramm von Br (Läuferflussdichte) in Abhängigkeit vom Abstand über dem Läuferblechpaket gezeigt.
In der Stellung der Querachse wird der Magnet- fluss zum Durchdringen der Bleche benötigt, was zu einem Rotor-Potential P, führt, das sich über den Läu ferkern von a bis c, wie gezeigt endet, wobei das Läufer potential im Punkt b gleich Null ist. Die eigentliche Dif ferenz des Magnetpotentials am Luftspalt ist praktisch gleich Null. Hieraus wird es offensichtlich, dass zwischen diesen zwei Stellungen ein grosser Energiewechsel statt findet, d. h. es ist ein sehr bedeutender Unterschied im magnetischen Widerstand in der Längs- und in der Querachse vorhanden.
Deshalb ist ein synchroner Be trieb als Reluktanzmotor bei halber Drehzahl möglich.
Die gleichen Argumente lassen sich auf Fig. 12 an wenden, wo der zweipolige Läufer in einem sechspoligen Ständermagnetfeld, gegeben durch P8 = F - sin 3w1, ge zeigt ist. In Fig. 12a befindet sich der Läufer in der Stellung kleinsten magnetischen Widerstandes oder in ,der Querachse .und das Läuferpotential ist gleich Null.
Der Fluss verläuft in der dargestellten Weise, woraus man erkennt, dass bei dieser Konstruktionsform der Fluss längs des Läuferkernes gleichzeitig in zwei entge gengesetzten Richtungen verlaufen kann. Die Fluss- dichte-Verteilung von a bis c entspricht der dargestell ten.
In der Stellung .der Querachse ist das Läuferpoten tial im wesentlichen wieder gleich dem Ständerpotentia:l, wobei die magnetomotorische Kraft längs ,des Luftspalts annähernd gleich Null bleibt. Die kleine m,agnetomoto- rische Kraft längs des Luftspaltes zwingt den Fluss auf den Weg hohen magnetischen Widerstandes, der sich teilweise .senkrecht zu den Blechen erstreckt.
Der ma gnetische Querfeldwiderstand ist wieder .gross, vergli chen mit dem magnetischen Widerstand der Längsachse, so dass auch ein synchroner Betrieb bei einem Drittel der Drehzahl möglich ist.
Diese Grundsätze lassen sich auch auf andere Pol zahlen des Ständerfeld'es anwenden. Vom Prinzip der Polumschaltung der Ständerwicklung kann auch beim Anlauf Gebrauch gemacht werden, d. h. im nicht-syn- chronen Betrieb, um ein besseres Synchronisier-Dreh- moment zu erhalten.
Es ist. offensichtlich, dass sich diese Erkenntnisse auch bei Läufern mit beliebigen Polzahlen .anwenden lassen. Obwohl in ,den hier beschriebenen Ausführungs- formen der äussere Maschinenteil als Ständer und der innere Teil als Läufer arbeitet, ist es verständlich, dass auch solche Anordnungen betroffen sind, bei denen der innere Teil stationär gehalten wird und sich der äussere Teil dreht.
Darüber hinaus ist diese Lehre .auf Maschi nen invertierter Konstruktion anwendbar, d. h. auf Ma- schinen, bei denen die elektrische Wicklung auf dem inneren Teildrehbar oder stationär angeordnet ist, wäh rend der äussere Teil die axialen Blechpakete trägt.
Dasselbe gilt auch für andere geometrische Anord nungen, wie z. B. Scheibenmotoren, Linearmotoren und dgl. anwendbar.