Elektrische Maschine mit Klauenpolläufer Elektrische Wechselstrom-Ein- oder -Mehrphasen maschinen der Klauenpolbauart, welche mit einem auf einer Welle umlaufenden Klauenpolsystem in Wech- selpolausführung und mit feststehenden Erregertei len und feststehendem, induziertem Teil ausgebildet sind, sind bekannt. Dabei kann beispielsweise der Läufer aus zwei konzentrisch zur Drehachse und mit Abstand zueinander angeordneten Ringen bestehen, welche gegeneinander gerichtete Klauen aufweisen, die ineinander greifen.
Durch den so beschriebenen Aufbau des Läufers ist dieses System nur für axial kurze Maschinen mit Vorteil anwendbar, wenn man die Klauen nicht magnetisch übersättigen will. Daraus ergibt sich, dass bei Maschinen grösserer Leistung der Bohrungsdurchmesser im Verhältnis zu anderen Maschinen gleicher Leistung unverhältnismässig gross werden müsste. Solange es sich dabei um relativ lang sam drehende Maschinen handelt, ist diese Vergrösse- rung nicht unbedingt von Nachteil, nämlich dann, wenn dabei auch die Polpaarzahl vergrössert werden kann.
Wird jedoch eine hohe Drehzahl verlangt, so sind die dann auftretenden Fliehkräfte nur noch in unwirtschaftlicher Weise oder gar nicht zu beherr schen.
Bei all diesen Maschinen ist es möglich, die Er regerwicklung konzentrisch innerhalb des Läufers an zuordnen, so dass sie also fest steht und der Läufer mit seinen ausgeprägten Klauenpolen von einer Wick lung freigehalten werden kann.
Als Mass für die elektromagnetische Ausnutzung der Flächeneinheit des Ankermantels (Ständer) wird der sogenannte mittlere Drehschub a benutzt. Es sei hier zur physikalischen Erläuterung der nachstehend beschriebenen Erfindung eingeführt zu
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wobei Md = Drehmoment, N = Leistung, d = Läuferdurchmesser, 1i = idelle Ankerlänge, n = Läu ferdrehzahl ist.
Formt man in bekannter Weise diese Gleichung um, wobei zur Vereinfachung der Um rechnung Phasengleichheit von Strom und Spannung, also cos cp -> 1, vorausgesetzt wird, so wird bei m- Phasen und mit N = m - U - I: N=m-4-gE:g-W-n-p-4).J Hierin sind @E = Nutfaktor, g = Wicklungsfak tor, p = Polpaarzahl und e = Induktionsfluss.
Setzt man für den Induktionsfluss das Produkt aus Höchst wert der Induktion B und Ankerpolfläche, und für den Strom I den Mittelwert des effektiven Strombela ges A der ganzen Ankerwicklung über eine Poltei lung, so erhält man
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und
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und bei Voraussetzung einer sinusförmigen Induk tionsverteilung für
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Mit diesen Umformungen geht die Beziehung über in
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und für den mittleren Drehschub
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Der mittlere Drehschub, d.h. die Maschinenaus nutzung, hängt also abgesehen vom Wicklungsfaktor, nur vom Produkt aus effektivem Strombelag A und Höchstwert der Induktion B ab, also von Faktoren,
die bei einer optimalen Maschinenausnutzung allge mein bekannte Maximalwerte nicht überschreiten sollen.
Aus Vorgenanntem folgt, dass eine Steigerung der Maschinenausnutzung bei Berücksichtigung der noch zulässigen Maximalwerte für Strombelag und Induktion nur möglich ist durch eine Vergrös- serung des Induktionsflusses, d.h. durch entsprechen de Wahl von Polraddurchmesser d und ideeller An kerlänge 1i. Bei den z.Zt.
üblichen Maschinenausfüh rungen sind aber Polraddurchmesser und ideelle An kerlänge bekanntlich nicht unabhängig voneinander, sondern müssen zur optimalen Ausnutzung des Lei- termaterials in einem bestimmten Verhältnis zuein ander stehen, nämlich ideelle Ankerlänge 1i zu Pol teilung
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Wünschenswert ist aber jedoch, dass dieses Ver hältnis möglichst noch grösser als 1 wird,
jedoch ist das bei den bisher bekannt gewordenen Maschinen noch nicht in wirtschaftlicher Weise durchführbar gewesen. Zu kleine Werte 1;/i, führen zu zu grossen Längen der Stirnverbindungen der Ankerwicklung, d.h., dass eine zu schlechte Ausnutzung der Anker leiter erfolgt. Zu grosse Werte von 11/-" ergeben sehr schmale Polkernquerschnitte, woraus eine schlechte Ausnutzung der Erregerwicklungen resultiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Ma schine anzugeben, welche ein möglichst grosses Ver hältnis der ideellen Ankerlänge zur Polteilung ergibt, um auf diese Weise besonders wirtschaftlich arbeiten zu können und eine hohe Maschinenausnutzung zu erreichen.
Dazu wird bei einer elektrischen Maschine, welche mit auf einer Welle umlaufende Klauenpol- systemen in Wechselpolbauart und mit feststehenden Erregerteilen und feststehendem induziertem Teil aus gebildet ist, vorgeschlagen, dass n Klauenpolsysteme in axialer Richtung hintereinander auf der Welle an geordnet und von dieser magnetisch mindestens zum grösseren Teil isoliert sind,
wobei die Welle zwischen ihren Lagerstellen dem magnetischen Rückschluss des von den Erregerteilen in sie eintretenden Nutzflusses dient, wobei fernerhin die Erregerteile axial beidseitig der Klauenpolsysteme angeordnet sind,
wobei aus- serdem der induzierte Teil durch n voneinander und vom Gehäuse magnetisch isolierte Blechpakete und von der in letzteren angeordneten einzigen gemein samen Arbeitswicklung gebildet wird.
Dabei können die Erregerteile ganz oder teilweise radial vom Klauenpolsystem umschlossen sein. Ist n eine ungerade Zahl, so wird man die Erregerwicklun gen zweckmässig gleichsinnig vom Strom durchflies- sen lassen, während bei n = gerade Zahl, jedoch n/2 = ungerade Zahl, die Erregerwicklungen mit Vorteil gegensinnig vom Strom durchflossen werden müssen.
Im letzteren Falle wird man die beiden mitt leren Klauenpolsysteme im Bereich ihrer gemeinsa men Stossstelle zweckmässig magnetisch mit der Welle verbinden. In bevorzugter Weise wird man diese mittlere Stossstelle dann verbreitern und/oder gegeneinander magnetisch isolieren.
Durch die Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, dass, bezogen auf die Ankerwicklung und gerechnet für ein Klauenpolsystem, in wirtschaft licher Weise das Verhältnis ideelle Ankerlänge zur Polteilung gleich 1,4 gemacht werden kann.
Da aber auch bei der bevorzugten Ausbildung der Erfindung mehrere Klauenpolsysteme aneinandergereiht werden, wird sich das genannte Verhältnis um n noch ver- grössern. Eine weitere Vergrösserung und Verbesse rung ergibt sich ausserdem dadurch, dass für die An- einanderreihung dieser Klauenpolsysteme grundsätz- lich nur soviel Erregerleistung notwendig ist,
wie sie für ein Klauenpolsystem aufgebracht werden muss. Lediglich die relativ geringen Verluste durch die ver- grösserten geometrischen Wege und die n-malige An kerrückwirkung sind aufzubringen. Auch für diese notwendige Mehrdurchflutung ist, wie Rechnungen ergeben haben, der Mehraufwand an Erregerleistung durchaus wirtschaftlich und vertretbar.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung be schrieben, welche als Ausführungsbeispiel einen Teil schnitt durch eine nach der Erfindung ausgebildete elektrische Maschine darstellt.
Die Welle 1 ist über Rollenlager 2 in den Lager schilden 4 des Gehäuses 3 gelagert. Auf ihr ist ein Klauenpolsystem 5 angeordnet, und zwar mit n = fünf hintereinandergeschalteten Einzelsystemen. Die ses Klauenpolsystem 5 ist über das magnetisch iso lierende ringartige Bauteil 6 auf der Welle 1 gelagert. Das ringartige Bauteil 6 ist dabei mit Ausfräsungen 7 versehen, um an Gewicht zu sparen und Platz für etwa notwendige Belüftung zu erhalten.
Das Klauenpolsystem 5 wird von n = 5 vonein ander und vom Gehäuse magnetisch isolierten Blech paketen 8 umgeben, in welchen die einzige und allen Blechpaketen 8 gemeinsame Arbeitswicklung 9 an geordnet ist. Letztere kann ein- oder mehrphasig aus gebildet sein. Die Erregerteile 10 sind axial beidseitig der Klauenpolsysteme 5 angeordnet und fest mit den Lagerschilden 4 verbunden. Dabei befindet sich in den Erregerteilen 10 je eine Erregerwicklung 11, wel che im bezeichneten Beispiel gleichsinnig vom Strom durchflossen sind.
Diese Erregerwicklungen 1l sind als Ringspulen ausgebildet und umgeben konzentrisch die in ihnen umlaufende Welle 1. Die Erregerteile 10 werden ausserdem von einem Teile des Klauen polsystems 5, nämlich dessen Teilen 12, fast vollstän dig umschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass für den Weg des magnetischen Flusses entsprechend der eingezeichneten Linie 13 nur sehr geringe Verluste anzusetzen sind.
Dabei verläuft der Weg des magneti schen Flusses entsprechend der genannten Linie 13 so, dass er beispielsweise von der linken Erregerwick lung 11 im linken Erregerteil 10 ausgehend über den Luftspalt 14 in den linken Teil 12 des Klauenpol- systems 5 übertritt, von dort über einen weiteren Luftspalt 15 in das erste Blechpaket 8 und hier die Verkettung mit der Arbeitswicklung 9 bildet.
Der Fluss tritt dann zurück über den Luftspalt 15 in die andere Polarität des linken Teilpolsystems des Klauenpolsystems 5 und von dort in das zweite Teil- polsystem des Klauenpolsystems 5 über. Von hier aus erfolgt dann die Verkettung mit der Arbeitswick lung 9 in gleicher Weise wie beim ersten System be schrieben und wird so weit fortgesetzt und wieder holt, bis die n = 5 Blechpakete und Teilpolsysteme durchsetzt sind.
Vom rechten Teilpolsystem tritt dann der Fluss über den rechten Luftspalt 14 zum rechten Erregerteil 10 über und schliesst sich von dort aus über einen weiteren Luftspalt, die Welle 1 und noch einen weiteren Luftspalt im linken Erregerteil 10. Der magnetische Kreis ist so geschlossen.
Die magnetischen Ringe 16 sind dabei als magne tische Ausgleichsringe zwischen den an ihnen links und rechts angeordneten jeweiligen Teilpolsystemen anzusehen, um evtl. magnetische Unsymmetrien bei der wiederholten Durchflutung der Blechpakete 8 auszugleichen.
Die vorliegende Zeichnung stellt eine Anordnung dar für n = ungerade Teilpolsysteme. Ist n jedoch eine gerade Zahl, wobei n/2 eine ungerade Zahl sein muss, dann wird man die beiden in der Mitte anein ander stossenden Teilpolsysteme magnetisch mit der Welle verbinden, um so, von links und rechts ausge hend, je ein Einzelsystem mit einem für sich bestehen den magnetischen Kreis zu erhalten. Die Flussrich- tung des magnetischen Flusses muss dann jeweils ent gegengesetzt gerichtet sein, d.h. die Ringspulen der Erregerwicklungen in den Erregerteilen müssen zu einander gegensinnig vom Strom durchflossen wer den.
Um genügend Platz für die magnetische Durch flutung im Bereich der gemeinsamen Stossstelle zu erhalten, wird man den hier angeordneten Ring, ent sprechend dem Ring 16 der vorliegenden Zeichnung, breiter ausbilden als die übrigen Ringe.
Es können auch eine oder mehrere Windungen um jede Klaue herum angeordnet sein. Dieses ent spricht im wesentlichen etwa einem Kurzschlusskä fig. Die durch diesen erstrebten bekannten Verbesse rungen treffen teilweise auch auf die genannte Anord nung nach der Erfindung zu. Es wird nämlich da durch die Ankerrückwirkung verringert und damit auch die sonst notwendige Erhöhung der Erreger leistung. Besonders wird das dann der Fall sein, wenn man die Windungen in sich und/oder untereinander kurzschliesst.
Es ist dabei zunächst ohne Bedeutung, ob diese Kurzschlusswindungen am Aussenumfang der Klauen angeordnet sind oder auch teilweise in denselben. Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt wer den, dass man diese Windungen zunächst mit minde stens einer Umdrehung auch um die Welle herum führt. Damit wirkt die Anordnung ähnlich der, wie sie von den Kompensationswicklungen her bekannt ist. Es wird nänflich eine in sich kurzgeschlossene Zu satzerregung erzielt, die den in der Welle vorhan denen Fluss verstärkt. Die Leistung für die Zusatzer regung wird dabei von der Ankerrückwirkung auf gebracht.
Electric machine with claw pole rotor Electric alternating current single or multi-phase machines of the claw pole type, which are designed with a rotating claw pole system in alternating pole design and with stationary excitation parts and stationary, induced part, are known. In this case, for example, the rotor can consist of two rings which are arranged concentrically to the axis of rotation and at a distance from one another, which have mutually directed claws which interlock.
Due to the structure of the rotor described in this way, this system can only be used with advantage for axially short machines if you do not want to magnetically oversaturate the claws. From this it follows that with machines with higher performance the bore diameter would have to be disproportionately large in relation to other machines with the same performance. As long as the machines are rotating relatively slowly, this increase is not necessarily a disadvantage, namely when the number of pole pairs can also be increased.
However, if a high speed is required, the centrifugal forces that then occur can only be controlled in an uneconomical manner or not at all.
With all these machines it is possible to assign the excitation winding concentrically within the rotor, so that it is fixed and the rotor with its pronounced claw poles can be kept free from a winding.
The so-called mean rotary thrust a is used as a measure of the electromagnetic utilization of the unit area of the armature jacket (stator). Let us introduce here for the physical explanation of the invention described below
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where Md = torque, N = power, d = rotor diameter, 1i = ideal armature length, n = rotor speed.
If this equation is reformulated in a known manner, whereby phase equality of current and voltage, i.e. cos cp -> 1, is assumed to simplify the conversion, then with m phases and with N = m - U - I: N = m -4-gE: gWnp-4) .J Here @E = slot factor, g = winding factor, p = number of pole pairs and e = induction flux.
If one sets the product of the maximum value of the induction B and the armature pole area for the induction flux, and for the current I the mean value of the effective current load A of the entire armature winding over one pole division, one obtains
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and
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and assuming a sinusoidal induction distribution for
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With these transformations the relationship turns into
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and for the middle rotary thrust
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The mean rotary thrust, i.e. The machine utilization, apart from the winding factor, only depends on the product of the effective current load A and the maximum value of the induction B, i.e. on factors
which should not exceed generally known maximum values with optimal machine utilization.
From the above, it follows that an increase in machine utilization, taking into account the maximum values that are still permitted for current load and induction, is only possible by increasing the induction flux, i.e. by appropriate selection of pole wheel diameter d and ideal anchor length 1i. With the currently
However, it is well known that the rotor diameter and ideal armature length are not independent of each other, but must be in a certain ratio to one another for optimal use of the conductor material, namely ideal armature length 1i to pole pitch
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However, it is desirable that this ratio is greater than 1 if possible,
however, this has not yet been economically feasible with the machines known hitherto. Values 1; / i that are too small lead to lengths of the end connections of the armature winding that are too long, i.e. that the armature conductors are used too poorly. Values of 11 / - "that are too large result in very narrow pole core cross-sections, which results in poor utilization of the excitation windings.
The object of the invention is to provide an electrical Ma machine which results in the greatest possible ratio of the ideal armature length to the pole pitch, in order to be able to work particularly economically in this way and to achieve high machine utilization.
For this purpose, it is proposed in an electrical machine, which is formed with claw pole systems rotating on a shaft in alternating pole design and with fixed exciter parts and fixed induced part, that n claw pole systems are arranged one behind the other in the axial direction on the shaft and from this magnetically at least for larger parts are isolated,
wherein the shaft between its bearing points serves the magnetic return of the useful flux entering it from the exciter parts, the exciter parts also being arranged axially on both sides of the claw pole systems,
in addition, the induced part is formed by n laminated cores magnetically insulated from one another and from the housing and by the single common working winding arranged in the latter.
The exciter parts can be completely or partially enclosed radially by the claw pole system. If n is an odd number, then the excitation windings are expediently allowed to flow through the current in the same direction, while with n = even number, but n / 2 = odd number, the excitation windings advantageously have to be flowed through in opposite directions.
In the latter case, the two middle claw pole systems will be conveniently connected magnetically to the shaft in the area of their joint joint. In a preferred manner, this central joint will then be widened and / or magnetically isolated from one another.
The arrangement according to the invention ensures that, based on the armature winding and calculated for a claw pole system, the ratio of ideal armature length to pole pitch can be made 1.4 in an economical manner.
However, since several claw pole systems are strung together in the preferred embodiment of the invention, the ratio mentioned will increase by n. A further enlargement and improvement results from the fact that basically only as much excitation power is necessary for the stringing together of these claw pole systems
how it has to be applied for a claw pole system. Only the relatively small losses due to the enlarged geometrical paths and the n-times anchor reaction have to be met. For this necessary additional flow, as calculations have shown, the additional expenditure on excitation output is quite economical and justifiable.
The invention will be described with reference to the drawing, which is an exemplary embodiment of a part cut through an electrical machine designed according to the invention.
The shaft 1 is supported by roller bearings 2 in the bearing shields 4 of the housing 3. A claw pole system 5 is arranged on it, with n = five individual systems connected in series. The ses claw pole system 5 is mounted on the shaft 1 via the magnetically isolating ring-like component 6. The ring-like component 6 is provided with cutouts 7 in order to save weight and to obtain space for any necessary ventilation.
The claw pole system 5 is surrounded by n = 5 vonein other and from the housing magnetically insulated sheet-metal packages 8, in which the single and all sheet-metal packages 8 common working winding 9 is arranged on. The latter can be formed from one or more phases. The exciter parts 10 are arranged axially on both sides of the claw pole systems 5 and are firmly connected to the end shields 4. There is an excitation winding 11 in each of the excitation parts 10 through which the current flows in the same direction in the example shown.
These excitation windings 1l are designed as toroidal coils and concentrically surround the shaft 1 rotating in them. The excitation parts 10 are also almost completely enclosed by a part of the claw pole system 5, namely its parts 12. This ensures that only very low losses are to be assumed for the path of the magnetic flux according to the drawn line 13.
The path of the magnetic flux runs according to the aforementioned line 13 so that it crosses, for example, from the left exciter winding 11 in the left exciter part 10 via the air gap 14 into the left part 12 of the claw pole system 5, from there via another Air gap 15 in the first laminated core 8 and here the linkage with the working winding 9 forms.
The flux then passes back through the air gap 15 into the other polarity of the left partial pole system of the claw pole system 5 and from there into the second partial pole system of the claw pole system 5. From here, the chaining with the Arbeitswick development 9 takes place in the same way as in the first system be written and is continued and repeated until the n = 5 laminated cores and partial pole systems are penetrated.
From the right partial pole system the flux then passes over the right air gap 14 to the right exciter part 10 and closes from there via another air gap, the shaft 1 and another air gap in the left exciter part 10. The magnetic circuit is thus closed.
The magnetic rings 16 are to be viewed as magne tables balancing rings between the respective partial pole systems arranged on them on the left and right, in order to compensate for any magnetic asymmetries in the repeated flooding of the laminated cores 8.
The present drawing shows an arrangement for n = odd partial pole systems. However, if n is an even number, where n / 2 has to be an odd number, then the two partial pole systems abutting in the middle will be magnetically connected to the shaft, so, starting from the left and right, one individual system with one exist for themselves to maintain the magnetic circuit. The direction of flow of the magnetic flux must then be in the opposite direction, i.e. the toroidal coils of the excitation windings in the excitation parts must be traversed by the current in opposite directions to each other.
In order to get enough space for the magnetic flooding in the area of the common joint, the ring arranged here, corresponding to the ring 16 of the present drawing, will be made wider than the other rings.
One or more turns can also be arranged around each claw. This essentially corresponds to a short circuit cage. The known improvements aimed at by this also apply in part to the said arrangement according to the invention. It is because there is reduced by the armature reaction and thus the otherwise necessary increase in excitation performance. This will especially be the case if the turns are short-circuited within themselves and / or with one another.
It is initially irrelevant whether these short-circuit windings are arranged on the outer circumference of the claws or also partially in the same. A further improvement can be achieved by first leading these turns around the shaft with at least one revolution. The arrangement thus acts similarly to that known from the compensation windings. A short-circuited additional excitation is achieved, which increases the flow in the wave. The power for the additional excitation is brought up by the armature reaction.