DE2843384C2

DE2843384C2 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2843384C2
Application number: DE2843384A
Authority: DE
Inventors: Philip Thomas Royston Hertfordshire Blenkinsop; Graham Wilson Lyme Cheshire McLean; David Haslingfield Cambridge Turner
Original assignee: Pa Management Consultants Ltd London Gb; Pa Management Consultants Ltd London
Current assignee: Energy Research And Developments Ltd London Gb
Priority date: 1977-10-06
Filing date: 1978-10-05
Publication date: 1983-06-30
Also published as: US4237396A; DE2843384A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine von der im Oberbegriff des Patentansp aches I genannten Gattung. Diese Maschine kann sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden.

Auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen gibt es viele Entwicklungen. Aus einer Entwicklung ist eine Maschine entstanden, im typischen Fall ein Motor, mit einer kreisförmigen Anordnung von Permanentmagneten und einer ähnlichen Anordnung aus einer Vielzahl von Polstücken, die um einen Stator herum liegen und mit einer Wicklung erregt werden, so daß um den Stator herum abwechselnd Nord- und Südpole entstehen. Das rotierende Feld wird durch Kommutieren des in der Wicklung fließenden Stromes erzielt, und es entsteht eine gegenseitige Einwirkung zwischen den PolstUcken und den Permanentmagneten. Diese Konstruktion erlaubt die Herstellung einer sehr dünnen Maschine und hat den Vorteil, daß sich die verfügbare Leistung durch einfache Montage von zusätzlichen Einheiten auf einer einzigen Antriebswelle in Form eines Stapels erhöhen läßt.

Eine Ausführungsform einer nach diesem allgemeinen Prinzip gebauten elektrischen Maschine ist aus der nicht vorveröffentlichten GB-PS 15 41211 bekannt. Hier besteht der Stator aus einer ringförmigen Anordnung von U-förmigen Polstücken, die um eine ringförmige Spule herum angeordnet sind und damit abwechselnd Nord- und Südpole bilden. Der Läufer besteht aus einer oder zwei auf einer oder beiden Seiten des Stators montierten Scheiben und ist an einer durch eine öffnung im Stator durchtretenden Welle befestigt. Im allgemeinen werden zwei solcher Läuferscheiben verwendet. Auf jeder Scheibe sind kreisförmig die Magnete angeordnet. Gegenüber dem Stator bilden sie abwechselnd Nord- und SOdpole,

Bei dieser Maschine gerät der Läufer bei Zufuhr von elektrischem Strom zu der Statorwicklung entweder über einen Kommutator, so daß die Polstücke bei Drehung des Läufers um den Winkelabstand zwischen den Magneten auf der Läuferscheibe oder den Läuferscheiben umgepolt werden, oder durch Zufuhr von Wechselstrom zu der den Stator umschließenden Wicklung in Drehung.

ίο Man sieht, daß der magnetische Fluß im Läufer mit der doppelten Frequenz des die Statorwicklung durchfließenden Stromes schwankt Dabei spielt es keine Rolle, ob die Stromänderungen durch Kommutieren oder durch Zufuhr von Wechselstrom zu der Statorwicklung erfolgea !m Ergebnis führt es zu hohen Eisenverlusten in der Rotoranordnung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in einer solchen Ausbildung der Maschine, daß die Eisenverluste herabgesetzt werden. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einer Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung nach der Erfindung dadurch, daß die Läuferscheiben geschichtet sind. Die Ebenen dieser Schichten verlaufen dabei parallel zu der Richtung der maximalen Magnetflußdichte in den Läuferscheiben. Da die Permanentmagnete auf den Stirnseiten der Läuferscheiben angeordnet sind, liegen die Gebiete der maximalen Magnetflußdichte zwischen den Perm&nentmagneten, so daß die maximale Magnetflußdichte in einem ringförmigen Band um die Läuferscheibe herum unmittelbar hinter den auf dieser angeordneten Permanentmagnet«* verläuft

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Schichtung der Läuferscheiben durch einen axialen

Stapel aus dünnen, gegeneinander isolierten Scheiben aus magnetisierbarem Material erreicht In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Schichtung der Läuferscheiben durch eine enge spiralförmige Wicklung eines einzigen Bandes aus magnetisierbarem

«ο Material erreicht, von dem mindestens eine Seite isoliert ist, so daß benachbarte Windungen der Spirale voneinander isoliert sind. Schließlich hat sich nach der Erfindung noch als vorteilhaft herausgestellt daß benachbarte Polstücke radial nach innen und nach außen gegeneinander versetzt sind. Dies hat zur Folge, daß die interpolaren Kraftlinienwege zwischen dem überbrückenden Abschnitt eines Polstückes und den anderen Polen eines benachbarten Polstückes größer werden. Damit werden die interpolaren Magnetflußver luste herabgesetzt

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist F i g. 1 eine perspektivische, auseinandergezogene

Darstellung der in der GB-PS 15 41211 gezeigten elektrischen Maschine,

F i g. 2 eine teilweise Stirnansicht einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

F i g. 3 ein Querschnitt durch einen Teil einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,

F i g. 4 eine schematisehe Darstellung des Prinzips des radialen Versetzens der Polstücke, F i g. 5 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform zum Herabsetzen der interpolaren Flußverluste,

Fig.6 eine Teildarstellung eines gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung konstruierten Motors mit Darstellung der durch die Läuferscheibe

durchtretenden Magnetflußwege und

Fig-7 eine ähnliche Darstellung eines anderen Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls mit Darstellung der durch die Anker- und Läuferanordnung durchtretenden Magnetflußwege.

F i g. 1 zeigt eine erste Anordnung von Permanentmagneten 1, la die in gleichen Winkelabständen auf einer ringförmigen, magnetisch permeablen, aus Stahl bestehenden Läuferscheibe 2 angeordnet sind Eine ι ο zweite Anordnung von Permanentmagneten 3,3a ist in gleichen Winkelabschnitten auf einer zweiten ringförmigen, magnetisch permeablen Läuferscheibe 4 aus Stahl angeordnet Die beiden Läuferscheiben 2 und 4 sind auf einer gemeinsamen Achse 5 angeordnet Dabei liegen sich die Permanentmagnete aus jeder Anordnung gegenüber. Die Hauptseiten der Permanentmagnete 1, la und 3,3a sind entgegengesetzt magnetisiert, und die Permanentmagnete sind so auf den jeweiligen Läuferscheiben angeordnet daß die in jeder Anordnung aufeinanderfolgenden Permanentmagnete sich einander abwechselnde Pole bilden. Die Läuferscheiben sind weiter so angeordnet, daß ein Nordpol auf einer großen Seite eines Permanentmagneten auf einer Läuiürscheibe einem Südpol auf einer großen Seite eines Permanentmagneten auf der anderen Läuferscheibe gegenüberliegt Zwischen den Anordnungen aus den Permanentmagneten 1, la und 3,3a befindet sich eine aus Polstücken 6, 6a bestehende Anordnung. Benachbarte Polstücke bilden jeweils Pfade für den Magnetfluß zwischen den Permanentmagneten der beiden Anordnungen innerhalb und außerhalb einer Wicklung 7. Zur besseren Darstellung der Konstruktion sind drei der Polstücke 6 und 6a in F i g. 1 ohne ihre angrenzenden unmagnetischen Abstandhalter dargestellt die sie im a allgemeinen auseinanderhalten. Die Polstücke 6 und 6a bestehen aus geschichtetem Material. Die Magnetflußpfade zwischen den Permanentmagneten der beiden Anordnungen werden mit den Linien 9, 10 und 11 angezeigt. Man erkennt weiter, daß die Polstücke 5 den Fluß innerhalb der Wicklung leiten, während die Polstücke 6a Jen Fluß außerhalb der Wicklung leiten. Die Magnetflußpfade zwischen den Permanentmagneten jeder Anordnung sind bei 13 und 15 eingezeichnet Die Enden der Wicklung 7 sind an einen nicht ⁴> dargestellten Kommutator angeschlossen. Dieser ist auf der Achse 5 angeordnet um die sich die elektrische Maschine dreht Damit wird die Wicklung 7 so kommutiert, daß eine von außen an sie angelegte elektrische Spannung bei jeder Winkeldrehung der "' Maschine gleich dem Winkelabstand zwischen den Permanentmagneten der jeweiligen Anordnung umgekehrt wird. Die Wicklung kann aus einer oder mehreren Windungen bestehen. In einer Ausführungsform ist der Kommutator eine statische Schaltanordnung, die mit einer optisch geschalteten Vorrichtung betrieben wird. Diese wird ihrerseits mit einem Lichtstrahl gesteuert, der durch eine sich mit der elektrischen Maschine drehende gelochte Abtastscheibe durchtritt Die Winkellage der Löcher in der Scheibe in bezug auf den sich drehenden Teil der elektrischen Maschine kann leicht eingestellt werden, um damit auch den Winkel, an dem die (Commutation auftritt, einzustellen. Eines oder mehrere Polstücke können eine eigene Wicklung aufweisen.

In Fig. 2 wird gezeigt, wie sich Eisenvcrluste in den Läuferscheiben 2 unH 4 herabsetzen lassen. Hierzu bestehen sie aus einem axialen Stapel aus Scheiben aus magnetisifirtwem Material. Die Ebene der Schichtung in den Läuferscheiben 2 und 4 verläuft senkrecht zum magnetischen Feld unmittelbar hinter den beiden Permanentmagneten 1 und la im Fall der läuferscheibe 2 und den Permanentmagneten 3 und 3a im Fall der Läuferscheibe 4, Die Flußdichte ist in diesem Gebiet verhältnismäßig niedrig, da eine große Fläche eingeschlossen ist Nur wenn das magnetische Feld unter einem rechten Winkel zurückkehren und eine Scheibe durchwandern muß, erreicht die Flußdichte merkbare Werte, da nun dem Feld beträchtlich weniger Querschnittsfläche zur Verfügung steht Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Läuferscheiben 2 und 4 in idealer Weise so dünn gehalten werden, wie es -gerade noch mit der Festigkeit verträglich ist die zum Abstützen der beiden kreisförmigen Magnetanordnungen benötigt wird.

F i g. 3 der Zeichnungen zeigt die alternative Ausführungsform, gemäß der die beiden Läuferscheiben 2 und 4 aus einer spiralförmigen Wicklung eines einzigen Streifens aus einem magnetisierbarer! Material gebildet werden, wie es im Schnitt gezeigt wirri. In diesem Fall liegt die Ebene der in der LäuferscKeihe 2 oder 4 erzielten Schichtung exakt korrekt sowohl in bezug auf das magnetische Feld, das an der Rückseite der Permanentmagnete 3 und la austritt, wie diese in F i g. 3 gezeigt werden, als auch in bezug darauf, wenn sich das magnetische Feld um einen rechten Winkel drehen muß, um die Fläche einer Läuferscheibe 2 oder 4 zu durchqueren, um damit zu einem der angrenzenden Magnete zu gelangen. Man erkennt jedoch, daß das Verfahren der Herstellung einer spiralförmigen geschichteten Scheibe, wie es in F i g. 3 gezeigt wird, etwas komplizierter ist als das Herstellen eines axialen Stapels aus mehreren Scheiben zur Bildung einer einzigen Scheibe, wie es in F i g. 2 gezeigt wird F i g. 2 stellt daher die mehr bevorzugte Ausführungsform dar.

Zusätzlich zu den magnetischen Kraftlinienwegen zwischen axial auseinanderliegenden Flächen von Magneten und Polstücken wie zum Beispiel 9,10 und 11, die in F i g. 1 dargestellt sind, bestehen interpolare Kraftlinienwege auch zwischen dem überbrückenden Absc-'jiitt jedes Polstückes und den angrenzenden Polen von benachbarten Polstücken. Diese interpolaren Kraftlinienwege werden durch die gestrichelten Linien 13 und 15 angedeutet Gemäß Fig.4 sind benachbarte U-förmige Polstücke 6 und 6a radial gegeneinander versetzt Weiter sind diejenigen Polstücke 6a, bei denen der überbrückende Abschnitt radial außen liegt radial nach außen versetzt Die anderen Polstücke 6, bei denen der überbrückende Abschnitt radial innerhalb von der Wicklung 7 liegt, sind nicht versetzt, sondern in ihrer ursprünglichen, in F i g. 7 gezeigten Lage belassen. Auf diese Weise werden die Nord- und Südpole der U-förrrigen Polstücke 6a von den innen liegenden überbrückenden Abschnitten der Pole 6 wegbewegt Das Ergebnis ist eine Herabsetzung der in.ssrpolaren Flußverluste zwischen benachbarten U-förmigen Polstücken.

Obwohl eine Darstellung fehlt, läßt sich das gleiche Ergebnis durch ein 1 adiales Versetzen der U-förmigen Polstücke 6a um die Hälfte des in Fig.4 gezeigten Betrages erreichen und durch radiales Verschieben der Polstücke 6 um einen entsprechenden Abstand nach innen.

Die U-förmigen Polstücke 6a (das heißt diejenigen, bei denen der überbrückende Abschnitt radial auüen liegt), brauchen nicht die gleiche Form wie die

U-förmigen PoIstUcke 6 (das heißt diejenigen, bei denen der überbrückende Abschnitt radial innen liegt) zu haben, und! gemäß der Darstellung in F i g. 5 läßt sich eine Herabsetzung der interpolaren Flußverluste auch dadurch erreichen, indem die U-förmigen Polstücke 6a radial kurz und als Stummelglieder ausgebildet werden, dafür aber als Ausgleich in Umfangsrichtung im Vergleich zu den Polstücken Ba eine größere Breite erhalten, wobei die Polstücke 6a eine größere radiale Länge aufweisen, aber in Umfangsrichtung schmal sind. Ein typisches modifiziertes Polstück 6a wird als Teil 6a' und ein typisches modifiziertes Polstück 6 wird als Teil 6' in F i g. 5 ebenfalls gezeigt.

Sämtliche Ausführungs;formen der Erfindung lassen sind ebenso auf Linearmotore und auf Maschinen mit radialen Kraftlinienwegen anwenden, sofern sie nach dem gleichen Prinzip wie der in Fig. I gezeigte Motor arbeiten.

Fig. 6 zeigt die dritte Ausführungsform, bei der die beiden Läufer, die im allgemeinen durch Stützplatten 2 und 4 aus Stahl und mehrere auf diesen montierte Magnete 1, la, 3, 3a gebildet sind, siehe Fig. 1, durch zwei Ringe 12 bzw. 14 aus magnetischem Material ersetzt sind. Zum Herabsetzen der Wirbelstromverluste bestehen diese aus gesintertem Material.

Die beiden Ringe U und 14 sind permanent magnetisiert. Dadurch entstehen eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gleich weit auseinanderliegenden und sich abwechselnden Nord- und Südpolen. Diese sind mit den Buchstaben S und N bezeichnet. Der ringförmige Stator, der zwischen den beiden Ringen 12 und 14 eingeklemmt ist, ist ähnlich wie in der Darstellung nach Fig. 1 konstruiert. Er enthält eine kreisförmige Wicklung 7, auf die die beiden U-förmigen Polstücke 6 und 6a aufgeschoben sind. Die Polstücke sind so um die Wicklung herum angeordnet, daß der überbrückende Abschnitt jedes Polstückes abwechselnd radial außen und radial innen von der Wicklung liegt, so daß ein diese durchfließender Strom an den offenen Enden der PoIstUcke abwechselnd Nord- und Südpole erzeugt. 5 Obgleich eine Darstellung fehlt, können zum Umkehren des durch die Wicklung 7 fließenden Stromes Kommutierungseinrichtungen vorgesehen werden. Damit entsteht um den Stator ein rotierendes Magnetfeld. Zum Erzielen der gleichen Wirkung kann der Wicklung ίο 7 auch ein Wechselstrom zugeführt werden.

Durch Verwendung der dickeren Abschnitte aus magnetischem Material zum Ausbilden der Ringe 12 und 14 kann der bei der vorhergehenden Konstruktion verwendete Stahl der Läuferscheiben 2 und 4 aus dem magnetischen Kraftlinienweg in der durch die beiden Läufer gebildeten Ankeranordnung herausgenommen werden. Infolge der Erhöhung der wirksamen Länge der magnetischen Kraftlinien vermindern sich dann die Flußschwankungen, die für eine vorgegebene magneto zu motorische Kraft von der Ankeranordnung ausgeübt werden. Dadurch sinken die Hystereseverluste.

In F i g. 7 wird eine Konstruktion gezeigt, bei der die beiden Läufer aus zwei Ringen 16 und 18 aus weichem Eisen oder zusammengesetztem Ferritmaterial, das 2i gesintert sein kann, bestehen. Auf den beiden Ringen sind zwei kreisförmige Anordnungen von Permanentmagneten 20, 20a und 22, 22a montiert. Die Permanentmagnete sind so angeordnet, daß sie gegenüber der eingeklemmten Statoranordnung abwechselnd Nord-]o und Südpole ausbilden. Die Slatoranordnung ist ihrerseits genauso konstruiert, wie dies in bezug auf Fig.6 erläutert wurde. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 6 lassen sich Wirbelstromverluste durch Verwenden von weichem Eisen oder gesintertem. Ji zusammengesetztem Ferritmaterial bis auf einen kleinen Betrag herabsetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine mit einem Stator mit ringförmiger Wicklung, die in U-förmigen Polstükken gelagert ist, welche in regelmäßigen Abständen derart angeordnet sind, daß deren offene Schenkel wechselweise radial außen und radial innen liegen, sowie beidseitig des Stators angeordnete Läuferscheiben mit darauf angeordneten, axial magnetisierten Permanentmagneten wechselnder Polarität, deren gegenseitiger Abstand den Abständen der U-förmigen Stator-Polstücke entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheiben (2,4) geschichtet sind

2. Elektrische Maschinenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtung der Läuferscheiben (2, 4) durch einen axialen Stapel aus dünnen, gegeneinander isolierten Scheiben aus magnetisierbarem Material erreicht ist

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtung der Läuferscheiben (2, 4) durch eine enge spiralförmige Wicklung eines einzigen Bandes aus magnetisierbarem Material erreicht ist, von dem mindestens eine Seite isoliert ist, so daß benachbarte Windungen der Spirale voneinander isoliert sind.

4. Elektrische Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Polstücke (6, 6a) radial nach innen und nach außen gegeneinander versetzt sind.