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Wechselstrominduktionsgenerator
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Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstrominduktionsgenerator,atmosphärische Einflüsse geschützt werden kann.
Ein erfindungsgemässer Generator weist ferner einen Stator auf, der unmittelbar an den betreffenden
Maschinenblock oder an einen andern ortsfesten Maschinenteil anbringbar ist, während der Rotor als
Schwungrad an deren Hauptwelle sitzt, wodurch sowohl die Konstruktion vereinfacht als auch die Anzahl der erforderlichen Bauteile vermindert ist. Schliesslich beinhaltet die Erfindung vorteilhafte Ausbildungen der magnetisierbaren Elemente und günstige Anordnungen der Feld- und Ankerwicklungen, mit dem Ziel,
Streu-, Eisen-, Luftspalt-u. dgl.-verluste weitgehend zu vermindern und damit einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen hervor. Selbstverständlich ist der eigentliche Erfindungsgedanke nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es sind allenthalben Varianten möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 einen Aufriss eines erfindungsgemässen Generators, gesehen in Richtung auf das offene Ende des Schwungradrotors, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, wobei die Verbindung des Generators mit der Welle einer Verbrennungskraftmaschine und festen Teilen derselben veranschaulicht ist, wobei diese Teile den Rotor bzw. den Stator des Umformers halten, Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie EI-111 der Fig. 2, bei dem gewisse Teile nur bruchstückweise zu sehen sind, um darunterliegende sichtbar zu machen, und die Wicklungen nur schematisch dargestellt sind, Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindungen der verschiedenen Wicklungen, Fig. 5 zeigt einen Teilschnitt einer andern Ausführungsform eines Generators nach Fig. 1 und Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5.
In den Fig. l - 3 bezeichnet 10 den erfindungsgemässen Generator. Dieser besitzt einen Rotor 12 in Form eines Schwungrades, der auf der Welle einer andern Maschine sitzt und einen Stator 14, der auf einem festen Teil dieser Maschine angebracht ist und konzentrisch zur Rotorwelle liegt. Beispielsweise zeigt die Fig. 2 diese Befestigungsweise, wo der Rotor 12 auf der Welle 16 und der Stator am festen Gehäuseteil 18 sitzen. Der Gehäuseteil kann der Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine und die Welle ein Teil der Kurbelwelle sein, die mittels Kugellager 20 gelagert ist. Die Drehung der Welle 16 bewirkt die Drehung des Rotors 12 relativ zum Stator 14.
Mit dem Stator sind Felderzeugungseinrichtungen verbunden, die den magnetischen Fluss in den verschiedenen Teilen des Umformers aufbauen und es ist eine Anzahl von Wicklungen vorhanden, in denen zufolge der Änderungen der mit ihnen verknüpften Felder Spannungen induziert werden. Diese notwendigen Flussänderungen werden durch mit dem Rotor zusammenwirkende Einrichtungen herbeigeführt, indem sie den magnetischen Widerstand der mit den Wicklungen gekoppelten Flusspfade ändern. Die Ausbildung der zusammenwirkenden Rotor-und Statorteile ist so getroffen, dass ein drei-oder mehrphasiger Ausgang erzielt werden kann. Dieser Ausgang kann als unmittelbare Energiequelle für die angeschlossene Maschine oder, nach Gleichrichtung, zum Laden von Batterien u. dgl. verwendet werden.
Wie erwähnt, hat der Rotor die Form eines Schwungrades. Gemäss Fig. 2 umfasst der Rotor eine im allgemeinen axial gerichtete Nabe 22,-einen sich radial erstreckenden Flansch 24 und einen gleichfalls axial gerichteten Kragen 26, der sich vom Rand des Flansches aus in der gleichen Richtung wie die Nabeerstreckt. Diese Teile bilden somit einen Ringraum 28, der den Stator 14 aufnimmt. Vorzugsweise bilden Nabe, Flansch und Kragen ein einziges Stück, das durch Giessen od. dgl. Verfahren herstellbar ist. Diese Einheit ist aus geeignetem magnetisierbarem Material, wie Eisen oder Stahl, hergestellt, so dass ein geringer magnetischer Widerstand für den Fluss auftritt, der vom Stator erzeugt wird, da es ein Merkmal der Erfindung ist, dass diese Einheit einen Teil des magnetischen Kreises bildet, wie noch später genauer beschrieben wird.
Obgleich verschiedene Möglichkeiten zur Befestigung des Rotors 12 an der Welle 16 möglich sind, besteht eine besonders geeignete darin, dass die Nabe 22 mit einer konischen Bohrung 30 versehen ist, die einen entsprechend geformten Teil der Welle 26 aufnimmt (Fig. 2). Die Drehfixierung wird durch einen Keil 32 bewirkt, der in entsprechenden Nuten 34 der Nabe und der Welle liegt. Das äussere Ende der Bohrung 30 mündet in eine erweiterte Bohrung 36, die das mit einem Gewinde versehene Ende der Welle 16 aufnimmt, das eine Mutter 38 und eine Beilagscheibe 40'trägt, mit der der Rotor an der Welle fixiert ist. Weiters'ist am Kragen 26, etwa durch Aufpressen, ein verzahnter Ring 42 befestigt, der z. B. mit dem Ritzel eines Anwurfmotors zusammenwirken kann.
Dieser Ring 42 kann jedoch auch weggelassen werden. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass der Rotor-12 zufolge seines Aufbaues ein verhältnismässig grosses Trägheitsmoment aufweist, so dass er neben seinen magnetischen Aufgaben auch die eines Schwungrades erfüllen und das sonst übliche ersetzen kann. Es ist weiters festzu-
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halten, dass Rotor und Stator so konstruiert sind, dass sie wenig Raum einnehmen. Tatsächlich benötigen sie nicht mehr Platz als übliche Schwungräder.
Um die erforderlichen Änderungen des magnetischen Widerstandes in den Flusspfaden. die die Wicklungen im Stator durchziehen, herbeizuführen, enthält der Rotorkragen 26 eine Mehrzahl in Winkelabstand befindlicher Pole 44, die im Kreis nach innen weisend vom Kragen wegstehen. Zwecks Herabminderung von Hysterese- und Wirbelstrom verlusten, welche zufolge der Flussänderungen in den Polen 44 auftreten können, sind sie mit einem getrennten Ring 46 versehen, der aus geschichtetem Material besteht und mit Presssitz in dem Kragen befestigt ist. Zwecks Aufnahme dieses Ringes ist die Innenfläche des Kragens
26 zu einer zylindrischen Fläche 48 bearbeitet, die nach innen hin in einer Schulter 50 endet.
Beim Zusammenbau beider wird der Ring bis zur Berührung mit der Schulter 50 eingepresst.
Der Aufbau des Stators ist am besten aus den Fig. 2 und 3 zu entnehmen. Der Stator besteht aus einem inneren und einem kleineren äusseren Ring (52 bzw. 54). Beide sind aus magnetisierbarem Material gefertigt und bilden zusammen einen Teil mit geringem magnetischem Widerstand für das im Generator aufgebaute magnetische Feld. Der innere Ring 52 ist vorzugsweise einstückig ausgeführt und sitzt auf einem Teil der Rotornabe 22, die eine entsprechende zylindrische Oberfläche 58 aufweist. Die Bohrung 56 verläuft konzentrisch zur Fläche 58 und die Durchmesser beider sind so bemessen, dass ein kleiner
Luftspalt 60 zwischen beiden vorhanden ist.
Die äussere Fläche des Ringes 52 besitzt einen ersten Teil, der den äusseren Ring 54 trägt und einen zweiten Teil, der die später noch zu beschreibenden Wicklungen aufnimmt. Der erste Teil ist vor- zugsweise mit einer zylindrischen Fläche 62, der zweite mit einer ebensolchen Fläche 64 ausgebildet, welch letztere einen grösseren Durchmesser besitzt und von ersterer durch eine radiale Schulter 66 ge- trennt ist. Wie gezeichnet, ist der äussere Ring geschichtet ausgebildet und mit einer zentralen zylindrischenBohrung versehen, mit der er auf der Fläche 62 des inneren Ringes 52 aufsitzt. Wie aus Fig. 3 zu ersehen, ist der äussere Ring 54 bezüglich des inneren etwa durch einen Keil 68 gegen Drehung gesichert. Es können aber auch andere geeignete Mittel zur Drehsicherung angewendet werden, z.
B. kann der äussere auf den inneren Ring aufgepresst sein.
Um die axiale Lage des äusseren Ringes 54 gegenüber dem inneren Ring 52 zu sichern und auch um die beiden am festen Maschinenteil 18 zu befestigen, ist ein Befestigungsring 70 vorgesehen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Ring 70 konzentrisch zur Rotor-Statorachse gelagert und am Stator mittels mehrerer Schrauben 72 befestigte die-sich axial durch den inneren Ring 52 hindurch erstrecken und in den Ring 70 einschraubbar sind. Die Köpfe der Schrauben 72 ruhen in Ausnehmungen 74, die im Ring 52 vorgesehen sind. Die innere Stirnfläche des Ringes 70 ist ausgedreht, um eine Anlage für die entsprechende Stirnfläche des Ringes 52 zu bilden, die durch eine Ringrippe 76 umfasst ist, deren Stirnfläche 78 wieder am äusseren Ring 54 anliegt. Die entgegengesetzte Stirnfläche des Halteringes 70 ist stufenartig abgedreht und bildet einen Absatz 80, die mit einer entsprechenden Stufe am Maschinengestell 18 zusammenwirkt, um die zur Welle 16 konzentrische Lage des Halteringes und mit ihm des Stators zu sichern.
Am Haltering 70 sind einige Ohren 82 vorgesehen, mit denen er mittels Bolzen am Maschinengestell 18 befestigt ist. Der Haltering 70 ist kein Bestandteil des Flusspfadesundkanndeshalbaus nichtmagnetischem Material bestehen, z. B. aus Aluminium, um Flussabweichungen in das Maschinengestell zu unterbinden.
Wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, enthält der äussere Ring 54 eine Mehrzahl nach aussen weisender Pole 84, von denen jeder eine Wicklung 86 trägt. Die Statorpole 84 sind in gleichen Winkelabständen angeordnet und besitzen Aussenflächen 88, die dicht den Innenflächen 90 der Rotorpo- le 44 benachbart sind, wenn sie sich gegenüberstehen. Die Wicklungen können an den Statorpolen durch verschiedenartige Mittel befestigt sein, vorzugsweise durch Halteelemente 91. Diese Elemente 91 sind im wesentlichen flache Streifen aus nichtmagnetischem Material, welche den Zwischenraum zwischen zwei aneinandergrenzenden Polen überbrücken und in Schlitze einrasten, die an den Polflächen vorgesehen sind. Die Halteelemente sind hauptsächlich durch Reibung festgelegt, sie können aber auch eingekittet sein.
Vorzugsweise sind die Endflächen 90 der Rotorpole von der gleichen Umfangslänge wie die Endflächen 88 der Statorpole. Angenommen, es fliesse der magnetische Fluss vom Stator zum Rotor, so werden bei einer Drehung des Rotors die Pole 84 abwechselnd in und ausser Deckung mit den Polen 44 des Rotors gebracht. Wenn ein bestimmter Statorpol 84 gegenüber einem Rotorpol 44 voll in Deckung ist, so besitzt der so gebildete Flusspfad seinen geringsten Widerstand, d. h. der magnetische Fluss ist am grössten. Befinden sich hingegen die entsprechenden Pole auf Lücke, so ist der magnetische Widerstand relativ hoch und der magnetische Fluss entsprechend klein, d. h. er wird sich nahezu dem Nullwert nähern.
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In Zwischenstellungen nehmen diese Grössen entsprechende Mittelwerte an.
Bei einer Drehung des Rotors treten also in den Polen 84 dauernd wechselnde Flüsse auf, die in den Wicklungen 86 entsprechende Ströme induzieren.
Die Einrichtung zum Aufbau des magnetischen Feldes im Umformer besteht aus einer Feldwicklung 92, die mit Gleichstrom erregt ist. Diese Erregung kann von einer getrennten äusseren Stromquelle herrühren, aber auch durch Gleichrichtung des Ausgangsstromes der Maschine'gewonnen werden. Im dargestellten Fall besteht die Wicklung 92 aus einer einzigen Spule, die im Fall der Selbsterregung parallel oder in Serie mit der Last geschaltet sein kann. Die Spule 92 umschliesst den Statorring 52. und liegt zwischen den angrenzenden Flächen des Ringes 54 und des Flansches 24.
Die Spule besitzt ein zentrales Fenster, mit dem sie auf der zylindrischen Fläche 64 des inneren Statorringes aufliegt, und sie wisd in Axialrichtung durch mehrere Halteklemmen 94 gesichert, die mittels Schrauben 72 am
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unddiedieSpulegegendenRingflach und erstreckt sich im wesentlichen bis zu den Endflächen des Statorpoles 84.
Wenn erregt, bant die Spule 92 ein toroidales Magnetfeld auf, dessen Achse im wesentlichen mit der Stator-Rotorachse zusammenfällt. Die strichlierten Linien 96 in Fig. 2 geben den Flusspfad zwischen
Stator und Rotor wieder. Angenommen, der Fluss sei von den Statorpolen 84 zu den Rotorpolen 44 gerichtet, so fliesst er, ausgehend von den Polen 84 über einen Luftspalt zu den Polen 44. Von dort fliesst er in Axialrichtung durch den Kragen 26 und dann radial nach innen durch den Flansch 24 zur Nabe 22. Sodann durchquert er den Luftspalt 60 und tritt in den inneren Statorring 52 ein, worauf er durch den äuRcrcn Statorring wieder zu den Polen 84 zurückkehrt. Die Anordnung der flussleitenden Teile ist also derart, dass der Fluss die Feldspule 92 in geschlossenem Zugeumrundet.
Demzufolge ist der Widerstand des Flusspfades sehr gering und Streuverluste sind stark vermindert. Insbesondere ist der
Widerstand sehr gering, weil der Luftspalt 60 zufolge der koaxialen Lage seiner Begrenzungsflächen äusserst dünn gemacht werden kann. Es ist weiters zu beachten, dass Flussänderungen nur in den Polen 84 und 44 auftreten, während er ansonsten gleichgerichtet und im wesentlichen konstant ist. Vor allem treten keine Flussänderungen in den Teilen 26,24 und 22 auf. Ebensowenig treten solche Änderungen bzw. nur sehr geringe im inneren Statorring 52 und in den von den Polen 84 radial nach innen gelegenen Teilen des Ringes 54 auf. Demzufolge sind die Hysterese- und Wirbelstromverluste in diesen Teilen der Maschinesehr gering, undsie können deshalb einstückig und nichtgeschichtet aufgebaut werden.
Zusätzlich sind Schwingungen und diese begleitende Geräusche in den Eisenteilen vermieden, weil sich die Flussänderungen hauptsächlich nur in den Polen vollziehen, welche aber nur einen kleinen Teil des Flusspfades darstellen, was zum ruhigen Lauf der Maschine beiträgt. Schliesslich beeinflussen die Flussänderungen in den Polen nicht das Feld der Spule 92, so dass dort keine Induktionsspannungen auftreten.
Solche Spannungen würden zur Folge haben, dass die Erregung (Amperewindungen) der Spule 92 höher getrieben werden müsste, da sich dieseInduktionsspannungen derErregerspannung entgegensetzen würden.
Wie schon erwähnt, ist die Maschine 10 zur Abgabe eines Mehrphasenstromes bestimmt. Zu diesem Zweck sind die Rotor- und Statorpole so einander zugeordnet, dass wenn eine Gruppe von Statorpolen mit entsprechenden Rotorpolen zur Deckung gebracht wurde, andere Gruppen von Statorpolen in verschiedenen Relativlagen zu den entsprechenden Rotorpolgruppen stehen. Demzufolge sind die in den Wicklungen der einen Polgruppe induzierten phasenverschoben zu den in den andern Gruppen induzierten Spannungen. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung mit dreiphasigern Ausgang zu sehen.
Die Statorpole 84 und die zugehörigen Wicklungen 86 sind in drei getrennte Gruppen unterteilt, und deren Beziehung zu den Rotorpolen ist eine solche, dass wenn die Statorpole der einen Gruppe in voller Deckung mit den ihnen zugeordneten Rotorpolen 44 stehen, sich die Pole der andern beiden Gruppen in einem Winkelabstand von +1200 bzw.-1200 ausserhalb dieser vollen Deckungslage befinden. Demzufolge werden auch die in diesen Gruppen induzierten Spannungen entsprechend um diese Phasenbeträge gegeneinander verschoben sein.
Obgleich verschiedene Anordnungen der Stator- und Rotorpole zur Erzeugung mehrphasiger Stromsysteme denkbar sind, ist die nach Fig. 1 vorzuziehen. Aus dieser Figur ist zu erkennen, dass die Rotorpole 44 ebenso wie die Statorpole 84 in gleichen Winkelabständen liegen, jedoch letztere in geringeren. Angenommen, es betrage zwischen je zwei aneinandergrenzenden Rotorpolen 44 der Winkelabstand 360 elektrische Grade, so ist der entsprechende Abstand zweier Statorpole 240 elektrische Grade. Wenn sich also der Stator und der Rotor in der in Fig. 1 gezeigten Lage befindet, so ist jedes dritte Polpaar in voller Deckung. In dieser Figur sind diese, zusammen die erste Polpaargruppe bildenden Pole mit a bezeichnet.
Ist weiter angenommen, dass sich der Rotor 12 im Uhrzeigersinn dreht, wie der Pfeil angibt, so nähern sich die mit c bezeichneten Polpaare dem Deckungszustand, während sich die mit b bezeichneten
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aus ihm entfernen. Die Pole b bilden daher die zweite, und die Pole c die dritte der oben genannten drei Gruppen.
Unter den in Fig. 1 hervortretenden Bedingungen ist der magnetische Widerstand in dem die Gruppe a enthaltenden Pfad am geringsten, der in der Gruppe c vermindert sich, und der in der Gruppe b steigt an. Folglich ist der Fluss in der Gruppe a am grössten, der der Gruppe c vermindert sich und der in Gruppe b steigt an. Angenommen, die Flussänderung vollziehe sich, was auch annähernd zutrifft, sinusförmig, so ändern sich auch die induzierten Spannungen nach diesem Gesetz, u. zw. gegenüber den
Flussänderungen um 900 phasenverschoben. Weiters wird die Phasenverschiebung der Spannungen in den drei Gruppen eine solche sein, dass die Spannung der Gruppe c gegen jene der Gruppe a um 1200 zurückbleibt, und die Spannung der Gruppe b gegenüber der von a um 1200 vorauseilt.
Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, sind die Spulen jeder Gruppe miteinander in Serie geschaltet, u. zw. die der Gruppe a durch die Leiter 100, die von b durch Leiter 102 und die von c durch Leiter
104. Fig. 4 zeigt schematisch die elektrischen Verbindungen der Spulen, und es ist zu sehen, dass sämtliche Spulengruppen in der üblichen Sternschaltung zusammengeschaltet sind. Selbstverständlich könnte auch die bekannte Dreieckschaltung vorgesehen sein. Der Dreiphasenausgang und die Erregung werden der Maschine durch die Kabel 106 (Fig. l, 2) entnommen bzw. zugeführt. Es ist klar, dass der Wert der Ausgangsspannung von der Höhe der Erregung der Spule 92 abhängt, so dass er also durch Änderung der Erregerspannung geändert werden kann.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die oben beschriebene Konstruktion sehr leicht wasserdicht ausgeführt werden kann. Die Fig. 5 und 6 zeigen eine solche Ausführung. Der Stator 110 ist identisch mit dem Stator 14, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ausgenommen eine Hülle aus wasserfestem Material, welche die Spule 92, die Wicklungen 86 und weitere Teile des Stators umgibt, und alle diese von der Umgebung abschirmt. In diesen Figuren ist diese Hülle mit 112 bezeichnet. Als Material kommt Epoxyharz oder ein ähnliches, für diese Zwecke geeignetes Material in Betracht. Die Hülle kann durch Pressen, Spritzen oder Tauchen hergestellt sein. Nach dem Umhüllungsprozess muss alles Material, dasandenEndflächen 88 der Pole 84 haftet, entfernt werden, um eine Berührung mit den Polen 44 zu verhindern.
Ebenso muss in der Bohrung 56 haftendes Material beseitigt werden, um nicht mit der Nabe 22 in Berührung zu kommen. Da die Maschine keiner beweglichen Kontakte besitzt, bedeckt die wasserdichte Hülle alle stromführenden Teile, was einen Schutz erbringt, der bei keiner andern rotierenden elektrischen Maschine erreicht werden kann. Auch der Rotor 12 kann mit einer Schutzhülle versehen werden, um Rost zu verhindern. Da aber der Rotor keinen Strom führt, ist dies für die eigentliche Wasserfestigkeit nicht unbedingt erforderlich.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Wechselstrominduktionsgenerator mit einem im wesentlichen schalenförmigen, au f einer Antriebswelle sitzenden Rotor und einem die Induktionsspulen und die Erregerspule tragenden, innerhalb des Rotors angeordneten Stator, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in seinen Umrissen wenigstens in grober Annäherung die Form einer Ringscheibe besitzt und von der Rotorschale unter Bildung zweier konzentrischer Luftspalte umfasst, und die ein toroidales Feld erzeugende Erregerspule konzentrisch zur Statorachse seitlich desselben und von der Rotorschale umschlossen angeordnet ist.
2. GeneratornachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einer Nabe (22) versehen ist, die sich in das Schaleninnere hinein, bis wenigstens nahe in die Höhe des Schalenrandes erstreckt und deren Aussenwand (58) mit der Bohrung (56) der Statorscheibe den inneren (60) der beiden Luftspalte bildet.