DE3544531A1 - Elektrische maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche elektrische Maschinen sind als Generatoren und Motoren verwendbar. Vorzugsweise betrifft die Er­ findung Generatoren und wird auch an hand von Gene­ ratoren nachfolgend beschrieben. Sie läßt sich aber in entsprechender Weise auch auf Motoren anwenden.

Ein solcher Generator weist einen rotierend angeord­ neten Rotor auf und einen mit diesem magnetisch ge­ kuppelten Stator. Der Stator weist ein magnetisches Feld auf, das beispielsweise durch auf dem Stator an­ geordnete Wicklungen erzeugt wird. Es können jedoch zur Felderzeugung auch Permanentmagnete verwendet werden.

Bei einer üblichen elektrischen Maschine weist der Stator Magnetpole auf, deren Polarität in Richtung zur Rotorachse abwechselnd angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Stator weist jedoch Magnetpole auf, die stets mit derselben Polarität zur Rotor­ achse ausgerichtet sind. Beispielsweise besteht der Motor aus einem Blechstapel rechteckigen Quer­ schnittes mit einer mittleren Öffnung zur Aufnahme des Rotors, dessen Achse sich mittig durch gegenüber­ liegende Seiten des Stators erstreckt. Der Stator ist mit mehreren nach innen weisenden Polen ausgerüstet, die mit demselben Magnetpol zur Rotorachse weisen. Das Statorfeld verläuft daher von den Polen zunächst zur Rotorachse hin und biegt dann um, um quer zur Rotorachse nach außen zu verlaufen.

Der Rotor kann mit einem Kommutator versehen sein und mit Wicklungen, um Gleichstrom zu erzeugen. Stattdessen können auch Schleifringe vorgesehen sein, um Ein- oder Mehrphasenstrom zu erzeugen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 schematische Darstellungen eines Gene­ rators in Achsrichtung gesehen mit drei aufeinanderfolgenden Rotorstellungen,

Fig. 4 eine Seitenansicht quer zur Achse eines Gleichstromgenerators,

Fig. 5 eine Achsansicht des Rotors des Genera­ tors gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine Achsansicht des Generators gemäß Fig. 4,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Ver­ bindung von Rotorwicklungen mit einem Kommutator mit acht Kommutatorsegmenten,

Fig. 8 eine Darstellung gemäß Fig. 7 in anderer Ausführungsform mit vier Kommutatorseg­ menten,

Fig. 9 eine Achsdarstellung der Kommutatorseg­ mente gemäß Fig. 7,

Fig. 10 eine Achsdarstellung der Kommutatorseg­ mente gemäß Fig. 8,

Fig. 11 eine Kurvendarstellung von Spannung und oszillografischer Anzeige am Ausgang eines erfindungsgemäßen Rotors,

Fig. 12 eine Achsdarstellung des Generators gemäß Fig. 4 mit anderem Kommutator,

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Ro­ tors mit Beschaltung zur Einphasenwech­ selstromerzeugung,

Fig. 14 die Achsdarstellung eines Rotors mit Wicklungen zur Mehrphasenwechselstromer­ zeugung,

Fig. 15 eine Darstellung der Anschlüsse des Ro­ tors gemäß Fig. 14 mit Dreiphasenausgang und

Fig. 16 eine Darstellung der Wicklungsverbindun­ gen eines in

Fig. 17 in Achsdarstellung gezeigten Rotors mit Zweiphasenbewicklung.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist in vereinfachter Form der Betrieb eines erfindungsgemäßen Generators dargestellt. Im dargestellten Beispiel weist der Generator einen Stator auf mit gegenüberliegenden Polen 20 und 21, die zur Achse 22 des Rotors 23 gerichtet sind. Die Stator­ pole 20 und 21 sind so gepolt, daß sie mit derselben magnetischen Polarität, beispielsweise - wie darge­ stellt - mit dem Südpol zur Rotorachse 22 weisen. Das magnetische FeId, das mit mit PfeiIen versehenen Magnet­ feldlinien 24 dargestellt ist, nimmt die dargestellte charakteristische Form an, wobei die Magnetfeldlinien zwischen den Polen seitlich in Richtung quer zu den Polen auf den Rotor zu laufen, um dann abzubiegen, um in Richtung der Pole in diese hineinzulaufen.

Der Rotor 23 ist mit Wicklungen 30, 31 versehen, die an seinen beiden Enden vorgesehen sind. Diese Wick­ lungen sind jeweils am einen Ende verbunden und mit den anderen Enden an Anschlüsse 32, 33 angeschlossen.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 nähern sich die Rotor­ pole der Stellung, in der sie mit den Statorpolen fluchten. In den Rotorpolen verändert sich der magne­ tische Fluß, und es wird Strom erzeugt. Die Wicklungen 30, 31 sind in Serie geschaltet und erzeugen Ausgangs­ strom an den Anschlüssen 32 und 33 mit einer bestimmten Polarität. Sobald der Rotor in Fluchtstellung mit den Statorpolen kommt, wie dies Fig. 2 zeigt, wird an den Anschlüssen 32, 33 kein Strom erzeugt, da die Rotor­ pole jeweils zwei in unterschiedliche Richtung aus den Statorpolen austretende Flußanteile schneiden. Bei einer Gleichstrommaschine, die einen Kommutator ver­ wendet, ist der Kommutator daher vorzugsweise so ange­ ordnet, daß er in dieser Stellung kommutiert.

In Fig. 3 ist eine Stellung dargestellt, bei der der Rotor die Fluchtstellung verlassen hat. Die Rotor­ wicklungen schneiden wiederum magnetischen Fluß und erzeugen Ausgangsstrom umgekehrter Polarität (gegen­ über dem gemäß Fig. 1) an den Ausgängen 32, 33.

In den Fig. 4 bis 6 ist ein Stator 40 dargestellt, der vorzugsweise aus einer Blechstapelanordnung besteht und im wesentlichen von der dargestellten rechteckigen Ausbildung ist. Er weist eine mittlere Öffnung auf mit einem ersten Paar sich gegenüberliegender Seiten 41, 42 und einem zweiten Paar sich gegenüberliegender Seiten 43, 44. Eine Vielzahl von Polen 45 (gemäß Darstellung 18 Stück) weisen zum Mittelpunkt des Stators hin. Im dargestellten Beispiel sind an jeder der Seiten 41, 42 sechs Pole vorgesehen und je drei Pole an den Seiten 43, 44. Wicklungen 46, von denen der zeichnerischen Vereinfachung wegen nur einige dargestellt sind, sind auf jedem der Pole 45 angeordnet und derart an eine Feldspulengleichstromversorgung 47 angeschlossen, daß sie jeweils ein Magnetfeld erzeugen, das mit demselben Pol, im dargestellten Beispiel mit dem Südpol zum Statorinneren hin liegen. Erfindungsgemäß ist der Stator mit einer großen Zahl von Polen versehen, um den Kupferanteil und den Wirkungsgrad gegenüber einer Ausbildung mit weniger Polen zu erhöhen. Außerdem er­ gibt das Vorsehen einer größeren Zahl von Statorpolen ein stärkeres und gleichmäßigeres Magnetfeld.

Der Stator 40 erzeugt wiederum ein nach innen gerich­ tetes und von dort nach außen abbiegendes Magnetfeld, das einen in der Öffnung des Stators angeordneten Rotor durchsetzt. Es können auch andere Statorkonfigurationen verwendet werden, bei denen insbesondere auch Perma­ nentmagnete in der dargestellten Anordnung vorgesehen sein können.

Der Generator der Fig. 4 bis 6 weist einen Rotor 50 auf, der wiederum aus einem Blechstapel bestehen kann und eine Welle 51 aufweist. Die Welle 51 erstreckt sich durch geeignete Bohrungen in den gegenüberliegen­ den Seiten 43, 44 und ist dort mit geeigneten Lagern 52, 53, die beispielsweise - wie dargestellt - außer­ halb des Stators angeordnet sein können, gelagert.

Der Rotor 50 weist eine Vielzahl von achsparallelen Schlitzen 60 zur Aufnahme von Wicklungen auf, die also parallel zu den Längsseiten 41, 42 des Stators verlau­ fen. Ein Kommutator 61 ist außerhalb des Stators auf der Welle angeordnet und steht in Gleiteingriff mit axial angeordneten Bürsten 62, 63, die an Ausgangs­ anschlüsse 64, 65 angeschlossen sind. Zur Verbindung des Kommutators mit den Wicklungen des Rotors kann in der Welle 51 eine geeignete Rille 65 vorgesehen sein, in der die Verbindungsleitungen 66, 67 das Lager 52 und den Stator 40 durchlaufen.

Bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Generator handelt es sich um einen Gleichstromgenerator, der mit mehreren, im wesentlichen parallel angeordneten Windungen 70 bis 77 versehen ist (Fig. 5). Die Win­ dungen 70 bis 73 sind auf der einen Seite des Rotors angeordnet und an die eine Ausgangsleitung 66 ange­ schlossen. Die Windungen 74 bis 77 sitzen in bezug auf die Rotormitte auf der anderen Seite und sind an die Ausgangsleitung 67 angeschlossen. Die jeweils mittleren Windungen 73 und 74 sind miteinander ver­ bunden. Die Verbindungsleitungen 66 und 67 sind mit den Kommutatorsegmenten gemäß Fig. 4 verbunden. Die Kommutatorsegmente und die Bürsten erlauben eine Kommutierung der Leitungen 66, 67, wenn der effektive Rotorpol, der von der Wicklung 70 bis 77 erzeugt wird, im wesentlichen parallel (oder um einen bestimmten Winkel versetzt) zur Achse der Statorpole steht, die in Fig. 6 dargestellt sind.

In Fig. 7 ist ein Rotor 102 dargestellt, auf dem Wick­ lungen 100 und 101 an entgegengesetzten Enden angeord­ net sind, die gleichsinnig gewickelt und in entgegen­ gesetztem Sinn in Serie verbunden sind. Der Kommutator weist zwei Ringe 110, 120 auf, die in Fig. 9 dargestellt sind und von denen jeder vier gleichgroße Kommutator­ segmente aufweist. Der Ring 110 weist die Segmente A, C, E, G auf, die zu den Kommutatorsegmenten B, D, F, H des Ringes 120 ausgerichtet sind. Diese Kommutatorseg­ mente sind gemäß Fig. 7 mit den Wicklungen verbunden.

Bei der ebenfalls als Gleichspannungsgenerator ausge­ bildeten Ausführungsform der Fig. 8 sind Wicklungen 140 und 141 auf dem Rotor in gleicher magnetischer Richtung verbunden. Die zugehörige Kommutatoranordnung ist in Fig. 10 dargestellt und weist zwei Kommutator­ ringe 145 und 146 auf, die jeweils zwei gleichgroße Segmente M und O bzw. N und P aufweisen und gemäß Fig. 8 angeschlossen sind.

Die Periode des Wechselspannungsausganges des Rotors gemäß Fig. 7 ist π, während die des Rotors gemäß Fig. 8 2π beträgt.

Die Bürsten sind so angeordnet, daß sie den Strom kommutieren, wenn der Stromfluß in den Rotorwicklungen null ist, vorzugsweise wenn die Wicklungen in der Ebene des Stators liegen.

Fig. 11 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor mit zwei Anschlüssen 200, 201. Der mittlere Teil der Darstellung zeigt die Spannung an diesen Anschlüssen in ihrer zeitlichen Abhängigkeit. Wenn die Anschlüsse 200, 201 an einen Oszillografen angeschlossen sind, so ergibt sich die zeitabhängige Oszillografendarstellung auf der rechten Seite der Darstellung.

Wie bereits erwähnt, kann der Stator alternativ mit mehreren Permanentmagneten versehen sein. Diese können in einer Weise ähnlich der in Fig. 4 dargestellten orientiert sein, so daß also eine Vielzahl solcher Magnete in einer Ebene um den Rotor herum angeordnet ist. Die Permanentmagnete besitzen eine Länge, die etwa das Dreifache ihres Durchmessers beträgt. Es hat sich gezeigt, daß eine Länge der Permanentmagneten größer als das Dreifache ihrer Dicke das Magnetfeld nicht mehr wesentlich steigert.

Fig. 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Generator zur Erzeugung von Einphasenwechselstrom. Bei dieser An­ ordnung ist der Rotor 80 mit Schlitzen 81 auf seinem Umfang versehen, wobei jeweils ein Paar benachbarter Schlitze eine Windung 82 aufnimmt. Die Enden der bei­ den Windungen, die in einem der Schlitze liegen, sind mit Schleifringen 83, 84 auf der Rotorwelle verbunden. Die übrigen Windungen sind in Serie verbunden. Die Ver­ bindungsleitungen zu den Schleifringen können in einer Rille der Welle angeordnet sein, wie dies Fig. 4 zeigt. Wenn der Rotor 80 dreht, wird an Bürsten 85, die die Schleifringe abgreifen, Einphasenwechselstrom erzeugt.

Ein erfindungsgemäßer Generator kann alternativ auch als Mehrphasengenerator ausgebildet sein, wie er in den Fig. 14 und 15 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung ist in mehreren Schlitzen 90 eines Rotors 91 eine Wicklungs­ anordnung vorgesehen, bei der Windungen 92 a bis 92 f je­ weils zwei benachbarte Schlitze durchsetzen. In der dargestellten Anordnung für Dreiphasenbetrieb sind sechs Schlitze mit sechs Windungen vorgesehen. Die Windungen sind mit Schleifringen 94 bis 96 verbunden, die in Fig. 15 dargestellt sind und erzeugen Drei­ phasenwechselstrom.

Es sind andere Wicklungsanordnungen möglich, die je nach Wunsch jeden gewünschten Mehrphasenbetrieb er­ lauben.

In den Fig. 16 und 17 ist eine weitere Ausführungs­ form eines Rotors für Zweiphasenwechselstrombetrieb dargestellt, wobei Fig. 16 die Windungsverbindungen zeigt und Fig. 17 die Anordnung der Windungen gemäß Fig. 16 in einem im schematischen Achsschnitt darge­ stellten Rotor.

Erfindungsgemäß sind die Wicklungen auf dem Rotor mit einer oder mehreren senkrecht zur Rotorachse stehenden Wicklungsachsen (Ein- oder Mehrphasenbetrieb) derart angeordnet, daß die auf einer Wicklungsachse zu beiden Seiten der Rotorachse befindlichen Wicklungsteile auf besondere Weise gewickelt und miteinander elektrisch verbunden sind. Dies geht insbesondere aus den Figuren 5, 13, 14, 15, 16 und 17 hervor, wo die Wicklungen im Schnitt dargestellt sind. Die in diesen Figuren ge­ zeigten Drahtschnittflächen sind entweder mit rundem oder quadratischem Querschnitt dargestellt, wobei quadratischer Querschnitt eine links gewickelte Spule und runder Querschnitt eine rechts gewickelte Spule bedeutet. Die Drahtquerschnittsflächen sind jeweils mit einem Punkt bzw. einem Kreuz markiert. Im Wick­ lungssinne verläuft die jeweils dargestellte Halb­ windung also von der mit Punkt markierten Querschnitts­ fläche (innerer Anschluß) zu der mit Kreuz markierten (äußerer Anschluß).

Claims (4)

1. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator mehrere Pole aufweist, die magnetisch auf den Rotor wirken, und der Rotor in dem vom Stator produzierten Feld dreht, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Stator­ pole in einer gemeinsamen, durch die Drehachse des Rotors verlaufenden Ebene liegen und alle mit dem­ selben Magnetpol zur Rotorachse gerichtet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stator im wesentlichen recht­ eckig mit einer inneren Öffnung ausgebildet ist, wobei seine Pole zur Öffnung gerichtet sind und Wicklungen tragen, die derart ausgebildet sind, daß dieselbe magnetische Polarität zur Öffnung weist und daß ein Rotor in der Öffnung angeordnet ist, der mit einer Welle durch gegenüberliegende Seiten des Stators ragt und Wicklungen mit entsprechenden An­ schlüssen aufweist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Anschlüssen der Wicklungen Kommutatoren vorgesehen sind und daß die Wicklungen auf einer Achse quer zur Rotorwelle angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wicklungen auf dem Rotor mehrere magnetische Achsen ausbilden.