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Elektrische Maschine mit veränderlichem magnetischem Widerstand Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit veränderlichem magnetischem
Widerstand mit einem feststehenden Stator, der wenigstens ein Paar magnetisierbarer
Pole aufweist, von denen jeder durch wenigstens eine Spule magnetisierbar ist, und
mit als Rotor umlaufenden Kraftlinienleitstücken, die aus sich senkrecht zur Achse
erstreckenden und mit Vorsprüngen versehenen, aufeinandergestapelten Magnetblechen
bestehen, wobei die Gesamtheit der Vorsprünge Zähne bildet, die mit dem von den
Spulen erzeugten Magnetfeld zusammenarbeiten.
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Bei derartigen bekannten Maschinen, wie übrigens bei den meisten rotierenden
elektrischen Maschinen, vermeidet man möglichst die Sättigung des Eisens in den
Magnetkreisen, damit der Wirkungsgrad der Maschine genügend hoch wird. Im allgemeinen
richtet man es so ein, daß die Permeabilität des Eisens in dem größten Teil der
Maschine größer als 100 bleibt, wobei man nur zuläßt, daß in gewissen Teilen
der Maschine (meistens den Polen und den Zähnen) die Permeabilität auf einen zwischen
25 und 10 liegenden Wert fällt, und zwar wegen der allgemeinen Erfordernisse
bei der Herstellung derartiger Maschinen, um diesen befriedigende Eigenschaften
zu geben.
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Ein häufig wichtiges Kennzeichen derartiger Maschinen ist bekanntlich
ihre auf die Masse bezogene Leistung, d. h. ihre Leistung je Gewichtseinheit.
Die auf die Masse bezogene Leistung ist nun eine Funktion des elektromagnetischen
Moments, welches bei Maschinen mit veränderlichem Luftspalt an den Zähnen des beweglichen
Teils angreift. Dieses Moment ist seinerseits eine Funktion des Produkts aus dein
aus den Polen kommenden Magnetfeld und der Magnetisierungsstärke in den Zähnen.
Bisher erschien es weder möglich noch wünschenswert, elektrische Maschinen mit veränderlichem
magnetischem Widerstand herzustellen, deren Zähne gesättigt sind oder eine unter
10
liegende Permeabilität haben.
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Es wurden auch bereits Untersuchungen über die magnetischen Beanspruchungen
in den Außenteilen bei Maschinen mit Übererregung angestellt. Es wurden hierbei
Angaben für die Läuferzähne bei Turbogeneratoren entwickelt, wobei der Fall betrachtet
wurde, bei welchem die Rotorzähne einerseits Nuten aufweisen, in denen die Wicklungen
angeordnet sind, und andererseits Kühlluftspalte . Es wurden dann Angaben
über maximal zulässige Induktionswerte in den verschiedenen Teilen des magnetischen
Kreises derartiger Maschinen entwickelt, wie beispielsweise in den Polen und Jochen
des Stators und im Kern und ih den Zähnen des Rotors. Es wurde festgestellt, daß
bei Läufern mit axialer Lüftung in den Nuten die wirkliche Induktion in den Zähnen
einer viel höheren scheinbaren Induktion entspricht.
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Es ist ferner bereits ein synchronisierter Induktionsmotor bekannt,
der einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Rotor ist einerseits mit vorspringenden
Teilen versehen, um Magnetpole zu bilden, und weist andererseits in bestimmter Weise
ausgebildete Wicklun"en auf. Der bekannte Rotor ist mit Län-snuten und Axialspalten
ausgerüstet. Die Radialspalten dienen zur Aufnahme der Wicklungen. Bei dieser bekannten
Maschine bleibt der magnetische Widerstand längs der Hauptachsen des Luftspaltes
im wesentlichen der gleiche wie in dem. Fall, in dem die Spalte und die Nuten nicht
vorhanden sind.
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Weiterhin ist ein ferromagnetischer Rotor für elektrodynanlische Maschinen
bekannt. Bei diesem sind die ferromagnetischen Bleche parallel zur Rotor-C achse
angeordnet, und diese Bleche werden voneinander durch Schichten aus einem nicht
magnetisierbaren Material getrennt, welches ein guter elektrischer Leiter ist, wobei
die Enden dieses Materials untereinander so verbunden sind, daß diese Teile zugleich
als Läuferwicklung dienen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu schaffen, die besser an die Bedingungen der Praxis
angepaßt werden kann und die Verbesserungen hinsichtlich des Wertes ihres Drehmomentes
und ihrer auf die Masse bezogenen Leistung, und zwar ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades
nüt sich bringt.
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Erfindungsgemäß sind bei einer Maschine der eingangs genannten Art
die den Rotor bildenden Magnetbleche abwechselnd in Axialrichtung mit Magnetblechen
aufeinandergestapelt, die die Vorsprünge frei lassen und Trennbleche bilden, so
daß die Zähne bei einem Wert des Magnetfeldes magnetisch gesättigt sind, der wesentlich
geringer ist als der Wert des Magnetfeldes, bei welchem die Pole und der Rest des
beweglichen Teiles gesättigt sind.
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In vorteilhafter Weise wird die Permeabilität der Zähne gegenüber
der Permeabilität des übrigen Teils der Maschine wesentlich herabgesetzt. Diese
Herabsetzung bewirkt, daß die Sättigung der Zähne erleichtert wird, und bewirkt
ferner, daß die am Rotor angreifende Kraft, die dem Produkt aus dem Magnetfeld und
der mittleren Sättigungsinduktion der Zähne proportional ist, einen möglichen Maximalwert
erreicht.
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In vorteilhafter Weise können die Zähne aus einem Werkstoff bestehen,
dessen die Magnetisierungsdichte als Funktion des Magnetfeldes ausdrückende Kennlinie
eine Kurve ist, welche etwa rechteckig ist, wie z. B. die einem Eisen großer Reinheit
entsprechende Kurve.
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Insbesondere kann das größte unter den Polen des Stators vorhandene
Magnetfeld wenigstens das Vierfache des die Sättigung der Zähne bewirkenden Feldes
betragen, wobei einerseits die Zähne und andererseits die anderen Teile der Maschine
so ausgebildet sind, daß die mittlere Sättigungsinduktion der Zähne zwischen
25 und 75 0/, (vorzugsweise zwischen 40 und 600/, und insbesondere
in der Größenordnung von 50 "/,) der für die anderen Teile der Maschine
gewählten größten Induktion liegt.
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Es kann zweckmäßig sein, daß die Zähne sowie die anderen Teile der
Maschine so ausgebildet sind, daß die mittlere Magnetisierungsstärke in den Zähnen
zwischen 67 und 200 0/, und vorzugsweise zwischen 85 und
125 0/0 oder in der Nähe von 100 0/, des unter den Polen des Stators
vorhandenen Magnetfeldes liegt. Bei einer Maschine, bei welcher der Stator wenigstens
zwei einander gleiche Polpaare aufweist, wobei jeder Pol innerhalb eines Zentriwinkels
a liegt, während der Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polen einem
Zentriwinkel b entspricht, können die Zähne des beweglichen Teiles einen
Zentriwinkel von etwa a #- b haben.
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Wenn eine Maschine mit vier Polen vorgesehen ist, deren jeder durch
wenigstens eine Wicklung magnetisiert wird, deren eines Ende mit Erregergleichstrom
gespeist wird, während das andere Ende an die Nutzleistungsleitung der Maschine
angeschlossen ist, so können die in einem Zwischenraum zwischen den zwei entsprechenden
benachbarten Polen einander gegenüberliegenden Enden von zwei benachbarten Wicklungen
parallel zueinander, und zwar in den aufeinanderfolgenden Polzwischenräumen abwechselnd,
an die Gleichstromerregerleitung und hierauf an die Wechselstromleitung angeschlossen
sein, wobei die vier Enden von zwei benachbarten Wicklungen zu einer elektrischen
Brücke so zusammengeschaltet sind, daß die aus einer Gleichspannungsquelle kommende
Erregung eine Diagonale der Brücke speist, während der Leistungswechselstrom in
der anderen Diagonalen der Brücke fließt.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an
Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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F i g. 1 ist ein schematischer Querschnitt einer erfindungsgemäßen
zweipoligen Maschine längs der Linie 1-1 der F i g. 2; F i
g. 2 ist ein schematischer Längsschnitt längs der Linie II-II der F i
g. 1;
F i g. 3 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
vierpoligen Wechselstromerzeugers in einer der F i g. 1 entsprechenden Darstellung.
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Es ist zu bemerken, daß zur Verdeutlichung der Zeichnung gewisse Abmessungen
in verschiedenen Maßstäben dargestellt sind, insbesondere der Luftspalt e.
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Vor der eingehenden Erläuterung der Zeichnungen sind nachstehend zunächst
die Grundlagen angegeben, aus welchen heraus für die Herstellung von elektrischen
Maschinen die in der Beschreibung angegebenen Kenngrößen benutzt werden, welche
übrigens für die unter Bezugnahme auf F i g. 2 und 3 beschriebenen
Ausführungen besonders zweckmäßig sind.
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Bei einer elektrischen Maschine mit veränderlichem magnetischem Widerstand
ist es sehr wünschenswert und übrigens an sich bekannt, daß der Luftspalt e, welcher
zwischen den Polen des Stators und den Zähnen des beweglichen Teils oder Rotors
vorhanden ist, eine gegenüber der Höhe h der Zähne vernachlässigbare Länge
hat. Wenn in einer derartigen Maschine, in welcher übrigens die Zähne gesättigt
sind, ein Magnetfeld h großer Stärke (z. B. in der Größe von 10000 Oerstedt)
zwischen den Polen des Stators und dem zylindrischen Teil des Rotors herrscht und
ein Zahn unter einem Pol liegt, ist die an dem Rotor angreifende elektromagnetische
Kraft F einerseits zu dem Querschnitt des Zahns (in einer zu der Bewegung desselben
senkrechten Ebene) und andererseits zu dem Produkt aus dem Magnetfeld H und der
mittleren Sättigungsinduktion B (oder was infolge der Sättigung der Zähne auf dasselbe
hinausläuft, der mittleren Magnetisierungsstärke in den Zähnen) proportional.
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Wenn ferner in einer derartigen Maschine das Magnetfeld H wenigstens
das Vierfache (und erst recht wenn es das Zehnfache) des die Sättigung der Zähne
bewirkenden Feldes beträgt, was bequem z. B. durch Verwendung eines besonderen magnetisierbaren
Werkstoffes zur Bildung der Zähne erzielt werden kann, wie dies nachstehend angegeben
ist, zeigt eine einfache Rechnung aus der Elektrotechnik, daß die Summe des Magnetfeldes
H und der mittleren Sättigungsinduktion B des Zahns etwa gleich der für die Erhebungen
des Stators und für den zylindrischen Teil des Rotors (zwischen den Zähnen liegender
Teil desselben) gewählten mittleren Induktion C ist.
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Infolgedessen hat in der betrachteten Maschine die Summe H
+ B praktisch einen vorgegebenen Wert, und die an jedem Zahn der Maschine
angreifende Kraft F ist zu dem Produkt H - B proportional.
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Nun ist es meistens sowohl für den Hersteller als auch für den Benutzer
einer derartigen Maschine sehr wünschenswert, daß diese Kraft F bei einer gegebenen
Maschine, deren verschiedene andere Kenngrößen oder Abmessungen festliegen, möglichst
groß ist.
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Die auf die Masse bezogene Leistung dieser Maschine ist nämlich um
so größer, je größer diese Kraft F ist.
Wenn die so ausgeführte
Maschine eine rotierende Maschine ist, wie dies bei dem dargestellten Beispiel angenommen
ist, ist das größte Drehmoment des Rotors dieser Maschine um so größer,
je größer diese Kraft F ist.
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Nun ist es aus der Zahlentheorie bekannt, daß, wenn zwei Zahlen, wie
die die Werte von H und B darstellenden, eine konstante Summe
C haben, das
Produkt dieser beiden Zahlen am größten ist, wenn sie einander gleich sind,
d. h. im vorliegenden Fall wenn
H = B = C ist. Es ist
ferner bekannt, daß, wenn sich die Werte der beiden Zahlen H und B allmählich (in
entgegengesetztem Sinn, damit ihre Summe konstant bleibt) von dem günstigsten Wert
0,5 C entfernen, der Wert des Produkts dieser beiden Zahlen (welches
bis auf einen konstanten Faktor »k« gleich F ist) zunächst nur sehr langsam abnimmt,
daß diese Abnahme dann aber schneller vor sich geht, wie dies in der nachstehenden
Tabelle zusammengestellt ist:
| Prozentsatz |
| H B k F = H - B der Abnahme |
| von F |
| 0,5 C 0,5 C 0,25 C 011/0 |
| 0,4 C 0,6 C 0,24 C 4% |
| 0,3 C 0,7 C 0,21 C 160/, |
| 0,25 C 0,75 C 0,19 C 240/, |
| 0,20 C 0,80 C 0,16 C 360/, |
| 0,15 C 0,85 C 0,13 C 48'/o |
| 0,10 C 0,90 C 0,09 C 64% |
| 0,05 C 0,95 C 0,05 C 800/' |
Da Herstellungs- oder Ersparnisgründe oder andere Gründe den Hersteller einer derartigen
Maschine veranlassen können, für die relativen Werte von H und B bestimmte Annahmen
zu treffen, selbst auf die Gefahr hin, daß die Kraft F (oder das Drehmoment des
Rotors bei einer rotierenden Maschine) nicht den Höchstwert hat, welchen die Theorie
ermöglicht, kann man die obige Lehre hinsichtlich der relativen Werte von LI und
von B dahin anwenden, daß man zuläßt, daß eine dieser beiden Größen bis auf
0,15 C verringert werden kann, während die andere dann entsprechend
bis auf
0,85 C vergrößert wird. Die Kraft F fällt dann nämlich nicht einmal
bis auf die Hälfte des Höchstwertes, welchen sie für
H =
B = 0,5 C
hat. In der Praxis scheint es jedoch in den meisten Fällen zweckmäßig, die Werte
von LI bzw. B zwischen
30
und
70 0/, von
C zu wählen, wobei
dann die Kraft F wenigstens 840/0 ihres möglichen Höchstwerts beträgt.
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Die gleiche Überlegung kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden:
die Zähne einerseits und die anderen Teile der Maschine andererseits werden so ausgebildet,
daß die mittlere Magnetisierungsstärke in den Zähnen in abgerundeten Zahlen zwischen
60 und 300 0/" (oder besser zwischen 70 und 170 0/,
oder vorzugsweise sogar zwischen 85 und 125 0/, oder in der Nähe von
100 0/,) des unter den Polen des Stators vorhandenen Magnetfeldes liegt.
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Dies bedeutet folgendes: Wenn man z. B. eine mittlere Magnetisierungsstärke
von 10000 Oerstedt vorgibt, beträgt die maximale Induktion 20000 Gauß. Die
oben angegebenen Prozentsätze entsprechen dann folgenden Zahlen: 150/,von20000=
3000,
850/, von 20000 # 17000.
Wenn man diese mittleren Magnetisierungsstärken
in den Zähnen auf das unter den Polen des Stators vorhandene Magnetfeld von
10000 Gauß bezieht, erhält man: (für 15 0/,): 10000/ 3 000 = 333
0/" abgerundet 300 0/,;
(für850/,):10000/17000= 590/0,abgerundet 600/,. Die
anderen angegebenen Prozentsätze (70 und 170 0/,; 85 und
125 0/,) wurden in entsprechender Weise berechnet.
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Hierzu ist noch zu bemerken, daß die günstigste auf die Masse bezogene
Leistung einer derartigen Maschine in gewissen Fällen für Werte von H und B erhalten
wird, welche von dem Wert 0, 5 C etwas verschieden sind, insbesondere,
wie dies an sich bekannt ist, wenn sich das Magnetfeld H (z. 13. infolge
der Sinusform des induzierenden Stromes) während der Bewegung des Zahns unter dem
gegenüberliegenden Pol ändert, während der Wert H = B
= 0,5 C der günstigste Wert wäre, wenn H während des Vorbeigangs des
Zahns unter dem Pol konstant wäre.
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Damit das für die Sättigung der Zähne erforderliche Magnetfeld klein
gegenüber dem Magnetfeld H ist, werden zweckmäßig die Zähne aus einem magnetischen
Werkstoff hergestellt, dessen die Magnetisierungsstärke als Funktion der Feldstärke
ausdrückende Kennlinie eine Kurve ist, welche eine etwa rechteckige Form hat, wie
z. B. die einem Eisen großer Reinheit entsprechende Kurve. Bekanntlich gestattet
ein »reines Eisen« mit einer Reinheit von wenigstens 9998/10 000, 95 0/,
der maximalen Magnetisierungsstärke unter der Einwirkung eines Magnetfeldes zu erreichen,
welches kleiner als 200 Oersted ist, was, wie dies erforderlich ist, ein Wert ist,
welcher ganz erheblich kleiner als die 11000 bis 12000 Oersted sind, welche
das größte Magnetfeld H gewöhnlich erreicht.
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Nachstehend ist unter Bezugnahme auf F i g. 1
und 2 ein Zahlenbeispiel
für die Ausführung der Erfindung angegeben.
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Die dargestellte rotierende Maschine, welche eine Ausführungsform
der Erfindung bildet, ist ein Synehronmotor, welcher somit mit Wechselstrom gespeist
wird. Die Maschine besitzt einen induzierenden Statorl mit zwei symmetrischen Polen2a
und 2b,
deren jeder eine induzierende Wicklung 3 trägt, sowie einen
sich um eine Achse 5 drehenden Rotor 4 mit zwei symmetrischen Zähnen 6a und
6b mit der Höhe h, welche nur einen sehr kleinen Luftspalt e (dessen Wert
z. B. kleiner als 10/, von h ist) zwischen sich und den Polen 2a und
2b des Stators bestehen lassen.
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Auf eine derartige Maschine mit vorgegebenen Abmessungen, insbesondere
hinsichtlich der Höhe h der Zähne, soll nun die Erfindung angewandt werden um dieser
zweipoligen Maschine ein Drehmoment zu geben, welches dem größten möglichen Drehmoment
möglichst naheliegt, ohne die Permeabilität der festen Teile unter den Wert
15 zu verringern.
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Der Stator 1 wird durch einen Stapel aus Siliziumstahlblechen
7 (F i g. 2) gebildet, für welche die größte Induktion C (in
der Nähe der Oberfläche der Pole) auf 23000 Gauß festgelegt wurde, was einer
Permeabilität von 15 entspricht, gemäß der vorgegebenen Permeabilitätszahl.
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Entsprechend dem oben angegebenen günstigsten Wert wird daher die
mittlere SättigungsinduktionB der Zähne 6a und 6b auf einen Wert in der Größenordnung
von 0,5 C festgelegt, d. h. 11500 Gauß.
Damit
etwa 95 0/, dieser Induktion bereits bei einem Wert des Feldes erhalten werden,
welcher sehr viel kleiner als der oben angegebene Wert des Feldes H ist, wird der
magnetische Teil oder arbeitende Teil dieser Zähne (und gegebenenfalls der Rest
des Rotors) durch Bleche 8 aus sogenanntem reinem Eisen gebildet, welches
an sich eine Sättigungsinduktion von 21500
Gauß hat. Damit die Sättigungsinduktion
B der Zähne nur 11500 Gauß beträgt, darf daher das Volumen dieser Bleche
8 aus reinem Eisen nur 11500/21500 des Gesamtvolumens des Zahns betragen,
d. h. etwa 53 0/, desselben. Hierfür wird zwischen den Blechen aus
reinem Eisen an der Stelle der Zähne ein nichtmagnetisierbarer Werkstoff eingeschaltet,
welcher zweckmäßig Luft ist, wie bei 9 dargestellt. In der radialen Mitte
des Rotors werden die Bleche 8 aus reinem Eisen zweckmäßig durch Zwischenscheiben
10 aus einem magnetisierbaren Werkstoff getrennt, z. B. Siliziumstahl. Wenn
die Bleche aus reinem Eisen eine Dicke von z. B. 0,5 mm haben, müssen sie
also voneinander durch Zwischenscheiben 10 mit einer Dicke von
getrennt werden, und die Luftschichten 9 müssen die gleiche Dicke von
haben. Wenn daher die Spulen 3 von einem Strom durchflossen werden, welcher
unter den Polen 2a und 2b
ein Magnetfeld von 11500 Oersted ergibt,
erreicht die mittlere Induktion in den Zähnen angenähert die Summe aus der Induktion
in der Luft in dem Zwischenraum zwischen den Polen und dem zylindrischen Teil des
Rotors (d. h. 11500 Gauß) und der mittleren Sättigungsinduktion in
den Zähnen (d. h. ebenfalls 11500 Gauß), was 23 000
Gauß ergibt. Die Induktion in den Polen in der Nähe der Zähne, welche grundsätzlich
die gleiche wie die mittlere Induktion in den Zähnen ist und ihrerseits auf
23000 Gauß festgelegt war, übersteigt somit nicht den festgelegten Wert,
welcher einer kleinsten Permeabilität von 15 entspricht, wobei jedoch die
so ausgebildete erfindungsgemäße zweipolige Maschine ihr größtmögliches Drehmoment
liefert.
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Eine derartige Maschine hat daher eine auf die Masse bezogene Leistung,
welche größer ist als bei entsprechenden bekannten zweipoligen Maschinen mit veränderlichem
magnetischem Widerstand. Ihr Wirkungsgrad bleibt jedoch sehr befriedigend, da die
verschiedenen Teile des Magnetkreises mit Ausnahme der Zähne eine über
15 liegende magnetische Permeabilität beibehalten.
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Erfindungsgemäß ausgebildete rotierende Maschinen können jedoch in
einer Form ausgeführt werden, welche noch vervollkommneter als die von zweipoligen
Maschinen ist. So ist es insbesondere aus den weiter unten erläuterten Gründen zweckmäßig,
derartige Maschinen herzustellen, bei welchen der Stator wenigstens zwei gleiche
Polpaare aufweist, wobei jeder Pol einen gegebenen Zentriwinkel a besitzt, während
der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polen einem Zentriwinkel
b entspricht, wobei der bewegliche Teil oder Rotor der Maschine Zähne aufweist,
deren Zentriwinkel praktisch gleich a + b ist. Gemäß einer noch weitzr verbesserten
Ausführungsform erhält man eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere einen
Wechselstromerzeuger, wenn man vier Pole vorsieht, deren jeder durch wenigstens
eine Wicklung magnetisiert wird, deren eines Ende mit einem Erregergleichstrom gespeist
wird, während das andere Ende an eine Leitung angeschlossen wird, welche von dem
erzeugten Wechselstrom durchflossen wird, wobei dieser Wechselstromerzeuger außerdem
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Enden von zwei benachbarten Wicklungen, welche
einander in einem Zwischenraum zwischen den beiden entsprechenden benachbarten Polen
gegenüberliegen, parallel zueinander, und zwar in den aufeinanderfolgenden Polzwischenräumen
abwechselnd an die Gleichstromerregerleitung und hierauf an die von dem Wechselstrom
durchflossene Leitung angeschlossen sind, wobei die vier Enden dieser beiden benachbarten
Wicklungen zu einer elektrischen Brücke geschaltet sind, derart, daß die Erregung
aus einer Gleichstromquelle in einer Diagonalen der Brücke geliefert wird, während
der Leistungswechselstrom in der anderen Diagonalen der Brücke fließt.
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Eine derartige Ausführung ist in F i g. 3 dargestellt. Sie
zeigt den Stator 11 eines Wechselstromerzeugers mit veränderlichem magnetischem
Widerstand. Er besteht aus einem Stapel von Magnetblechen und weist vier gleiche
Pole 13a-13b-13c-13d auf, deren Zentriwinkel a beträgt, während der Zentriwinkel
des Zwischenraums zwischen zwei Polen b
beträgt, wobei hier übrigens
b < a12.
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Jeder Pol trägt eine Wicklung 14a-14b-14c-14d, wobei die vier Wicklungen
untereinander gleich und so bemessen sind, daß sie gleichzeitig von dem Erregerstrom
des Wechselstromerzeugers und dem von ihm erzeugten Wechselstrom durchflossen werden
können. Mit A, B; C, D; E, F; G, H sind zwei
Punkte einer jeden Wicklung bezeichnet, welche als die Endpunkte betrachtet und
übrigens paarweise in zwei benachbarten Wicklungen homolog zueinander sind.
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Die Punkte B und C, D und E, F
und G, H und A
sind paarweise an Punkte I bzw.
J bzw. K bzw. L angeschlossen. Diese letzteren Punkte bilden die Ecken einer
elektrischen Brückenschaltung, in welcher eine Diagonale der Brücke die Leitung
15a-15b und die andere Diagonale die Leitung 16a-16b ist. Die Leitung 15a-15b ist
die Leitung für die Nutzleistung des Wechselstromerzeugers, d. h. die Leitung,
über welche der erzeugte Wechselstrom fließt, während die Leitung 16a-16b zur Erregung
dient, welche durch die Gleichstromquelle 17 erzeugt wird. Der Erregerstrom
und der erzeugte Wechselstrom sind daher in jeder der vier Wicklungen einander überlagert,
wie dies übrigens an sich üblich ist.
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Der bewegliche Teil oder Rotor 18 des Wechselstromerzeugers,
welcher auf der Welle 19 sitzt, ist im ganzen auf die gleiche Weise wie in
F i g. 2 ausgebildet.
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Wenn der Zentriwinkel eines Zahns 20 a oder 20 b
c
Winkelgrade beträgt, besteht eine Weiterbildung dieser Ausführungsform darin, diesem
Zentriwinkel einen Wert zu geben, welcher etwa gleich der Summe a + b
der Zentriwinkel eines Pols bzw. des Polzwischenraums ist.
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Diese Ausbildung hat folgendes Ergebnis: Wenn M und N
die Abschlußkanten des Zahns 20 a, P und Q
die des Pols 13d,
R und S die des Pols 13a sind und wenn sich der bewegliche Teil
18 in dem Sinn Fl
dreht, so tritt, in dem Augenblick-, in
welchem die Kante M des Zahns 20a (vor dem in F i g. 1 dargestellten Drehzustand)
der Kante R des Pols 13a
gegenüber zu liegen kommt, diese Kante M mit dem
Zahn 20a unter diesen Pol, während der in der Nähe der Kante N liegende Abschnitt
des gleichen Zahns sich von dieser Kante des Pols 13d zu entfernen beginnt.
Ferner sind die Zentriwinkel der Abschnitte des Zahns 20a, welche während einer
gegebenen Zeit unter den Pol 13a treten, genau die gleichen wie die der entgegengesetzten
Abschnitte des gleichen Zahns, welche sich während der gleichen Zeit von dem benachbarten
Pol 13d entfernen. Hieraus ergibt sich, daß der Magnetfluß, welcher die von
dem Pol 13d
getragene Wicklung 14 d durchsetzt, mit einem Absolutwert
abnimmt, welcher der gleiche ist, mit welchem während der gleichen Zeit der die
Wicklung 14a des Pols 13a durchsetzende Fluß zunimmt. Anders ansgedrückt, die Flußschwankungen
in den benachbarten Polen 13d bzw. 13a haben in diesen beiden Polen während
einer gegebenen Zeit den gleichen Absolutwert, aber entgegengesetzten Sinn.
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Hieraus ergibt sich, daß die während dieser Zeit in den beiden Wicklungen
14a und 14d durch die Flußschwankungen induzierten elektromotorischen Kräfte den
gleichen Absolutwert, aber entgegengesetzten Sinn haben. Dies hat zur Folge, daß
die an der Ecke I der elektrischen Brücke I-J-K-L induzierte Spannung stets den
gleichen Wert wie die Spannung an der Ecke K der gleichen Diagonalen der Brücke
hat. Infolgedessen fließt kein Störstrom in der Erregerleitung 16a-16b des Wechselstromerzeugers.
In dieser Leitung fließt nur der von der Gleichstromquelle 17
gelieferte Erregerstrom.
Infolge dieses Fehlens von Störströmen in der Erregerleitung ist der Wirkungsgrad
des so ausgebildeten Wechselstromerzeugers erheblich größer als der bekannter Wechselstromerzeuger
mit veränderlichem magnetischem Widerstand, bei welchem normalerweise derartige
Störströme fließen und den Wirkungsgrad erniedrigen, und auch erheblich höher als
der eines gemäß F i g. 1 ausgeführten zweipoligen Wechselstromerzeugers.
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Hinsichtlich der Ecken J und L der Brücke 1-J-K-L ändern sich
die induzierten Wechselspannungen an dem Punkt J ständig gegensinnig mit
den Änderungen gleicher Amplitude, welche an dem Punkt L auftreten. Die dem Rotor
18 des Wechselstromerzeugers gelieferte mechanische Energie wird also mit
Ausnahme der normalen Verluste in den Blechen und den Leitern vollständig in einen
in der Leistungsdiagonalen 15a-15 b
fließenden elektrischen Nutzstrom
umgeformt.
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Dieses Ergebnis wird übrigens außer durch die oben f ür die
Bemessung der Pole, der Polzwischenräume und der Zähne aufgestellten Bedingungen
nur dadurch erreicht, daß die Zähne des Rotors 18 gesättigt sind, während
die anderen TeUe des Wechselstromerzeugers nicht gesättigt sind. Wenn dies nämlich
nicht der Fall wäre, wären die Flußänderungen in den beiden benachbarten Polen dem
Absolutwert nach nicht gleich, so daß die in den entsprechenden Wicklungen erzeugten
elektromotorischen Kräfte ebenfalls nicht gleich und gegensinnig wären. Dies hätte
zur Folge, daß an den Ecken I und K der Brücke I-J-K-L nicht die gleiche induzierte
Spannung herrschen würde, so daß ein Verluste verursachender Störstrom in der Erregerleitung
16a-16b fließen würde.
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Die Erfindung kann innerhalb des durch den Hauptanspruch gesteckten
Rahmens natürlich abgewandelt werden. So können die Zahl und die Anordnung der Zähne
des Rotors und der Pole des Stators von denen der F i g. 1 und
3 verschieden sein. Ferner kann der Aufbau der Maschine im Rahmen der Erfindung
von der der F i g. 1 und 3 verschieden sein. So kann insbesondere
ein Motor mit geradliniger Wechselbewegung hergestellt werden (insbesondere zur
Bildung einer Pumpe mit elektromagnetischem Antrieb) oder ein mit Gleichstrom oder
auch mit Wechselstrom gespeister Elektromotor, z. B. ein Synchronmotor oder auch
ein Kommutatormotor.