DE2541694A1

DE2541694A1 - Elektrische maschine mit axialem luftspalt

Info

Publication number: DE2541694A1
Application number: DE19752541694
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Volkrodt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1977-03-24

Description

Elektrische Maschine mit axialem Luftspalt
Die Erfindung betrifft eine Kommutatormaschine mit Gleichflußerregung. Die herkömmlichen elektrisch oder dauermagneterregten Gleichstrommaschinen mit radialem Luftspalt benötigen einen gesonderten Kommutator und weisen große Wickelköpfe auf. Insgesamt sind diese Maschinen relativ voluminös und erfordern einen hohen Fertigungsaufwand. Bekannt sind auch Gleichstrommaschinen mit Dauermagneterregung und axialem Luftspalt, wobei der Anker aus einer Isolierstoffscheibe mit flachen, blanken Leitern besteht, die zugleich den Kommutator bilden, auf dem in axialer Richtung die Kohlebürstm aufliegen. Diese räumlich zwar günstigeren Scheibenmaschinen haben jedoch eine nur geringe mechanische Stabilität und ihre Wärmekapazitat ist ebenfalls gering (Gefahr der Stoßstromüberlastung).
Ferner ist diese Ausführung sehr werkzeugintensiv.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Kommutatormaschine mit Gleichflußerregung, die besonders wirtschaftlich herstellbar ist und zugleich eine gute Modell ausnutzung durch ein großes Drehmoment bei verhaltnismäßig kleiner Bauweise erlaubt. Sie geht von einer elektrischen Maschine mit axialem Luftspalt aus, die erfindungsgemäß ein umlaufendes, mit einer Ringwicklung versehenes ringförmiges Ankerpaket aus ferromagnetischem Material, sowie wenigstens ein gegenüber einer Ankerstirnseite angeordnetes, einen axial in das Ankerpaket eintretenden Gleichfluß erzeugendes Erregersystem aufweist, wobei am Außenumfang oder an der Stirnseite des Ankers die Wicklungsdrähte nur nebeneinander liegen, ihre Oberfläche einen Kommutator bildend blank geschliffen ist und gegen diese in den Zonen des Polwechsels angeordnete Kohlebürsten anliegen.
Der von dem Erregersystem kommende, axial in das Ankerpaket eintretende Gleichfluß verläuft in diesem in Umfangsrichtung weiter und tritt bei der entgegengesetzten Polarität des Erregersystems stirnseitig wieder aus. In der Ringwicklung des Ankers werden Spannungen induziert, die bei Generatorbetrieb von den Kohlebürsten abgegriffen werden bzw. wird über diese Bürsten bei Motorbetrieb der zur Drehmomentbildung notwendige Strom zugeführt.
Besonders zweckmäßig ist es, gegenüber beiden Stirnseiten des Ankerpaketes je ein Erregersystem anzuordnen, wobei die Erregung entweder durch Dauermagnete oder durch elektrisch erregte Pole erfolgen kann. Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird zunächst ein gesonderter Kommutator erspart und durch die Ringwicklung ergibt sich eine nicht unwesentliche Kupfereinsparung, da große Wickelköpfe entfallen. Ferner erfordert die Maschine eine nur einfache Fertigungstechnik. Weiterhin sind große Luftspaltdurchtrittsflächen vorhanden, die wiederum einen großen Fluß und damit ein ebenfalls großes Drehmoment ergeben. Aufgrund der kompakbn Bauweise ist eine gute Modellausnutzung gegeben.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit einer sehr einfachen Drehzahlregelung. Zu diesem Zweck wird das oder werden die Erregersysteme axial verschiebbar ausgeführt, so daß sich der aus spalt zwischen Anker und Erregersystem wahlweise vergrößern läßt, wodurch eine Feldschwächung und damit eine stufenlose Erhöhung der Drehzahl erfolgt. Eine andere Ausführung besteht darin, daß man zur Erregung sowohl Dauermagnete als auch elektrisch erregte Pole vorsieht, wobei die elektrisch erregten Pole von der Magnetisierung in Flußrichtung zum Luft spalt hin in die entgegengesetzte Richtung ummagnetisiert werden können. Dabei kommt der Dauermagnetfluß von einer anfänglichen Parallelschaltung zum elektrisch erregten Fluß in eine Reihenschaltung zu letzterem, wodurch sich im Grenzfall die in den Windungen der Ringwicklung induzierten Spannungen Ui gegenseitig aufheben. Bei Betrieb als Motor läßt sich somit die Drehzahl stufenlos sehr hoch einstellen, während bei Betrieb als Generator die Spannung gegen 0 abfällt.
Die erfindungsgemäße Maschine ist anhand der Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 zeigt - rein schematisch - den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Maschine, während die Fig. 2 und 3 Schnitte gemäß den Linien A-A und B-B in Fig. 1 sind. Auf der Welle 1 sitzt fest ein scheibenförmiger Tragkörper 2, der unter Zwischenfügung einer Isolierung das ringförmige Ankerpaket 3 trägt. Dieses Ankerpaket kann aus Eisenblech oder Eisendraht gewickelt sein und ist mit einer Ringwicklung 4 versehen. Zu beiden Seiten des Ankerpaketes ist e ein Erregersystem 5 und 6 an den Lagerschilden 7 und 3 befestigt. Die Erregersysteme erzeugen einen Gleichflu(3, der axial in das Ankerpaket eintritt, in diesem in Umfangsrichtung weiter verl-iuft und bei der entgegengesetzten Polarität der Erregersysteme stirnseitig wieder austritt. Am Außenumfang des Ankers sind die Drähte 4' der Ringwicklung 4 so angeordnet, daß sie nur nebeneinander liegen und ihre Oberflachen sind blank geschliffen, um einen Kommutator zu bilden. In in neutralen Zonen 9 zwischen den Polen der Erregersysteme sind Brstenhalter 10 so angeordnet, daß die Kohlebürsten gegen die blanken Leiter 4' der Ringwicklung anliegen. Über diese Bürsten wird der Ringwicklung der zur Drehmomentbildung notwendige Strom zugeführt bzw. wird bei Generatorbetrieb die in der RingwidQung induzierte Spannung abgegriffen.
Sieht man nur auf einer Seite des Ankers ein Erregersystem voretwa bei Maschinen kleiner Leistung -, dann können die KohlebUrsten auf der entgegengesetzten Seite angeordnet werden,und die entsprechenden seitlichen Wicklungsdrähte bilden den Kommutator.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Erregersystems mit Dauermagneten. Dabei sind mit 11 weichmagnetische Polstücke und mit 12 zwischen diesen und dem Rückschluß.ioch 13 angeordnete, radial magnetisierte Magnetblöcke bezeichnet. Zur Erhöhung der Luft spaltinduktion sind zusätzliche, tangential magnetisierte Dauermagnetblöcke 14 zwischen den Polen 11 eingebracht. Die weichmagnetischen Rückschlüsse 13 des Erregersystems können hochgesättigt sein, so daß sie magnetische Engpässe bilden. Dadurch wird der Temperaturgang von beispielsweise Barkun- Ferritmagne ten weitgehend kompensiert.
Statt eines Erregersystems mit Dauermagneten kann auch ein solches mit elektrisch erregten Polen Verwendung finden, wie dies die Fig.
5 a und b zeigen. Dabei sind mit 15 die Pole des Systems und mit 16 die diese umgebenden Erregerspulen bezeichnet.
In Fig. 6 sind die Erregersysteme 17 und 18 an Platten 19 und 20 angeordnet, die ihrerseits axial verschiebbar auf Bolzen 21 sitzen.
Die Platten 19 und 20 stehen unter der Wirkung von Federn 22 und können mit Hilfe eines Seilzuges 23 vom Anker 3 wegbewegt werden.
Auf diese Weise läßt sich der Luftspalt 8 vergrößern, wodurch eine Feldschwächung eintritt. Dadurch wiederum ist eine stufenlose Drehzahlerhöhung des Motors möglich. Bei Verwendung des Motors fUr den Antrieb eines Elektrofahrzeugs kann der Seilzug von einem FuEpedal 24 betätigt werden.
Eine weitere Ausführungsform zur Drehzahlregelung bzw. Spannungsregelung der erfindungsgemäßen Maschine zeigen die Fig. 7 a und b.
Hier werden gemischt erregte Systeme verwendet, d.h. auf der einen Stirnseite des Ankerpaketes 3 ist ein Erregersystem 25 mit Dauermagneten und auf der anderen Stirnseite ein Erregersystem 26 mit elektrisch erregten Polen vorgesehen. Die elektrisch erregten Pole sind zunächst so magnetisiert, daß der Fluß in Richtung zum Luftspalt hin verlauft. Dauermagnetfluß und elektrisch erregter Fluß sind parallel geschaltet, so daß sich die in den Windungen der Ringwicklung induzierten Spannungen Ui addieren. Es ergibt sich somit ein hoher Fluß und eine kleine Drehzahl. Bei Ummagnetisierung der elektrisch erregten Pole in entgegengesetzte Richtung, also vom Luftspalt weg, verläuft der magnetisch Fluß nur in eine Richtung (Fig. 7 b), so daß der Dauermagnetfluß in Reihenschaltung zum elektrisch erregten Fluß kommt. Im Grenzfall heben sich dabei die in der RingwicWLzng induzierten Spannungen Ui gegenseitig auf und man erhält eine hohe Drehzahl bzw. bei Generatorbetrieb fällt die Spannung gegen 0 ab.
7 Figuren 3 Ansprüche

Claims

Patentansprüche i Elektrische Maschine mit axialem Luftspalt, gekennzeichnet durch ein umlaufendes, mit einer Ringwicklung (4) versehenes ringförmiges Ankerpaket (3) aus ferromagnetischem Material, sowie wenigstens ein gegenüber einer Ankersffrnseite angeordnetes, einen axial in das Ankerpaket eintretenden Gleichfluß erzeugendes Erregersystem (5, 6), wobei am Außenumfang oder an der Stirnseite des Ankers die Wicklungsdrähte (4') nur nebeneinander liegen, ihre Oberfläche einen Kommutator bildend blank geschliffen ist und gegen diese in den Zonen (9) des Polwechsels angeordnete Kohlebürsten (10) anliegen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber beiden Stirnseiten des Ankerpaketes (3) e ein Brregersystem (5,C,17,18,25,26) angeordnet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung durch Dauermagnete (12) erfolgt.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch elektrisch erregte Pole (15, 16).
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Luftspaltinduktion zwischen den Polschuhen ausgeprägter ferromagnetischer Pole (11) zusätzliche, tangential und radial magnetisierte Dauermagnete (14) vorgesehen sind.
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weicEmagnetischen Rückschlüsse (13) der Erregersysteme hochgesättigt sind.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dalß zur Drehzahlstellung durch Luftspaltänderung das oder die Erregersysteme (17, 18) axial verschiebbar angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung sowohl Dauermagnete (25) als auch elektrisch erregte Pole (26) vorgesehen sind, wobei die elektrisch erregten Pole von der Magnetisierung in FluErichtung zum Luftspalt hin bis in die entgegengesetzte Richtung ummagnetisierbar sind.