Gleichpolmaschine, insbesondere zur Erzeugung von Wechselstrom höherer Frequenz. Mittel- und Hochfrequenzgeneratoren werden in der Regel als Gleichpoltype ge baut. Dabei ist die Erregerwicklung als ko axialer Ring ruhend zwischen zwei ebenfalls koaxialen Ständerblechpaketen angeordnet, die in achsparallelen Nuten eine Spulen wicklung tragen, während der Läufer wick lungslos ist. Ständer und Läufer sind mit einer der vorgesehenen Drehzahl entsprechen den Zahl von Polzacken zur Erreichung der gewünschten Frequenz versehen. Diese Bau art erlaubt bei gleicher Umfangsgeschwindig keit die Ausführung der Wechselstrom maschinen mit höheren Polzahlen als bei der Bauart mit gewickelten Polen.
Immerhin ist auch für diese Bauart die Polzahl beschränkt wegen der mit der Zunahme der Polzahl auch immer enger werdenden Nutenteilung und der damit verbundenen Schwierigkeit der Bewicklung dieser Nuten. Ferner sind solche Maschinen wegen der vielen Nuten verwickelt und in der Herstellung sehr kost spielig.
Durch die Erfindung wird nicht nur eine weitgehende Vereinfachung und Verbilligung der Maschine erreicht, sondern auch eine we sentliche Erhöhung der Polzahl oder/und Frequenz, oder bei gegebener Polzahl oder Frequenz eine Verkleinerung des. Durch messers der Maschine möglich.
Die Erfin dung besteht darin, dass ausser der Gleich stromerregerwicklung der als Gleichpoltype gebauten Maschine auch die Wechselstrom arbeitswicklung als koaxiale Spule in wenig stens einer koaxialen Ringnut zwischen, Pol- vorsprüngen des Ständers angeordnet ist und dass die Polvorsprünge beidseitig der Ringnut entweder beim Ständer oder beim Läufer in der Umfangsrichtung um eine Polteilung gegeneinander versetzt sind.
In der Zeichnung sind .einige Ausfüh rungsbeispiele für die Erfindung dargestellt, und zwar zeigen jeweils im Längs- und Quer schnitt die Fig. 1 und 2 eine vierpolige An ordnung zur Erläuterung ider Wirkungs weise, Fig. 3 und 4 eine vielpolige Hoch frequenzmaschine mit zylindrischem Anker und Fig. 6 und 7 eine solche mit scheiben- förmigem Anker, während Fig. 5 die Ab- en des Ständers der Maschine nach Fig. 3 zeigt..
Fig. 8 zeigt die Hälfte des aktiven Teils einer Dreiphasenmaschine im Längsschnitt, Fig. 9 eine Abwicklung dieses Teils.
In Fig. 1 gibt die obere Hälfte eine Aus führungsform wieder, bei der die axial nebeneinanderliegenden Polvorsprünge des Ständers gegeneinander um eine halbe Pol teilung versetzt sind, während diejenigen des Läufers jeweils in der gleichen Radialebene liegen; bei der unteren Hälfte der Fig. 1 ist der umgekehrte Fall veranschaulicht. Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch eine Maschine der erstgenannten Art.
In der Magnetspule a, die in einer umlaufenden Ringnut o des Ständers b der Maschine ruht, wird ein Kraftfluss erzeugt, der sich entweder in der gezeichneten Stellung des Läufers c längs der gestrichelten Linie über die Polvor sprünge d, e des Läufers c und die Vor sprünge f, y des Ständers b, oder nach einer Vierteldrehung des Läufers c längs der strichpunktierten Linie über die Läufervor sprünge h-, i und Ständervorsprünge j, k, schliesst. Der Rückschluss des Magnetkreises erfolgt durch eine zylindrische Ständerboh rung, wobei es gleichgültig ist, welchen Durchmesser sie hat; der Luftspalt kann also hier an der Stelle l oder an der Stelle m liegen.
Zwischen den Ständerpolvorsprüngen f, g einerseits und j, <I>k</I> anderseits liegt in einer Ringnut q die Arbeitswicklung s der Maschine, die wie die Erregerspule a als Ringspule ausgebildet ist. Sie wird bei jedem Wechsel de' Kraftschlusses von d, f nach h, j bezw. von e, g nach i, k einmal vom gesamten Ma gnetfeld geschnitten, wobei jedesmal in je dem Spulendraht eine dem Feld und der Schnittgesechwindigkeit proportionale EMK induziert wird, die abzüglich des Spannungs- abfalles in den Spulenleitern, an den Klem men der Maschine herrscht. Es ist eine Wechselspannung, denn einmal wird das Feld von links nach rechts, das andere Mal von rechts nach links durch die Spule s hin wegeführt.
Die sekundliche Frequenz v hängt natürlich von der Drehzahl ab und ist, wenn p die halbe Zahl der wechselnden Pol vorsprünge und n die Drehzahl je Minute ist,
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Für das Beispiel der Fig. 1 und 2 ist p = 2, so dass die Maschine bei 1500 Um drehungen pro Minute einen Einphasenstrom von 50 Perioden und bei 3000 Umdrehungen pro Minute einen Strom von 100 Perioden liefert. Die erzeugte EMK ergibt sich dann aus Frequenz, Kraftfluss und Zahl der in geschalteten Windungen der Spule s.
Mechanisch ist die in Fig. 1 oben dar gestellte Anordnung mit gleichartigen Pol vorsprüngen am Läufer günstiger als die An ordnung mit versetzten Polvorsprüngen am Läufer, wenigstens dann, wenn es sich um wenigpolige Maschinen handelt, weil im letz teren Falle eine Unwucht auftritt. Bei viel poligen Maschinen spielt aber diese keine Rolle mehr.
Fig. 3 bis 5 zeigen eine 80polige Ma schine, die zum Beispiel bei 1500 Umdrehun gen pro Minute eine Frequenz 1000 liefert.
Ständer- und Läufereisen b, c sind hier ge blecht, und zwar, der Richtung des Kraft flusses entsprechend, radial, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Hierbei brauchen die Zwischen stücke t zwischen den Polvorsprüngen d des Läufers nicht aus Eisen zu bestehen, weil sie keinen Kraftfluss führen; Sie können aus irgendeinem geeigneten, mechanisch wider- standsfähigen Werkstoff, zum Beispiel aus einem Kunststoff auf Harzgrundlage be stehen.
Die Ständerbleche b sind in schwal benschwanzförmigen Nuten des Gehäuses r gehalten, und auch die Läuferbleche sind zwischen im Querschnitt schwalbensch wanz- förmigen Pressplatten m, v gefaBt.
Die Maschine ist ,symmetrisch zur senk recht auf ihrer Drehachse stehenden Mittel ebene gebaut, so daB der magnetische Rück schluss rechts in gleicher Weise ausgenutzt wird wie auf der linken Seite. Die beiden Spulen s und s' können in Reihe oder par- alle) geschaltet werden. Wie aus der Ab wicklung Fig. 5 zu erkennen, sind die Kraft flüsse der einzelnen Polpaare NS bezw. N S' völlig unabhängig voneinander.
Dass man die Maschine grundsätzlich auch mit Scheibenanker ausführen kann, zeigt Fig. 6 und 7. Dabei wird man die ra diale Pollänge von innen nach :aussen in dem Verhältnis abnehmen Jassen, wie die mittlere Polbreite in der Umfangsrichtung zunimmt, damit der Polquerschnitt und der Kraftfluss pro Polvorsprung konstant bleiben. Der Ver lauf der Magnetflüsse ist wie in Fig. 3 an gedeutet.
Auch mehrphasig lässt sich die Maschine bauen. In Fig. 8 und 9 ist zum Beispiel eine Dreiphasenmaschine dargestellt. Dabei ist jede Spule s der drei Phasen I, II, 111 zwi schen je zwei Reihen von um<B>180</B> elektrische Grade versetzten Polvorsprüngen f, j ange ordnet, und die Polreihen der drei Phasen sind gegeneinander um 120 elektrische Grade versetzt.
Dreiphasenstrom lässt sich aber auch so erzeugen, dass man in einer Maschine ent sprechend Fig. 3 bis 5 die Polreihen rechts und links der Erregerspule a um 90 (elek trische Grade versetzt und den so gewon nenen Zweiphasenstrom bei entsprechender Wahl der Windungszahl der Arbeitswick lungen s, s' mit Hilfe der Scottschen Schal tung in Dreiphasenstrom umwandelt.
Die Maschine kann auch, unabhängig von der Frequenz der Arbeitswicklung, Gleich strom erzeugen, den man an axial auseinan derliegenden Punkten des Läufers mittels Bürsten oder sonstiger Stromabnehmer ab nehmen kann; sie wirkt dann als Unipola,r- maschine. Gegebenenfalls lässt sich dieser Gleichstrom zur Speisung der Erregerspule a verwenden.
Ebenso wie angetrieben als Generator läuft die, Maschine auch, an ein Wechsel stromnetz angeschlossen und mit Gleichstrom erregt, treibend als: Synchronmotor, wenn man sie: auf Touren gebracht und synchroni siert hat. Die radiale Schichtung der Bleche hat wesentliche Vorteile. Einmal ergeben sich weniger Blechabfälle, was bei den hoch legierten teuren Blechen, die für :solche Ma schinen in Frage kommen, besonders ins Ge wicht fällt. Ferner ermöglicht die radiale Schichtung ohne weiteres die Verwendung der gleichen Blechschnitte für Maschinen der, verschiedensten Frequenzen, lediglich durch Änderung der Dicke der Blechpakete.
Zum Einlegen der Magnet- und der Ar beitswicklungen kann die Maschine senkrecht zur Achsrichtung, zum Beispiel jeweils an den Ringnuten in Einzelabschnitte getrennt werden. Einfacher lässt sich die Wicklung aber auch einlegen, wenn man die Maschine wie üblich durch einen Schnitt durch die Längsachse in zwei Teile zerlegt.
Die neue Maschine besitzt gegenüber,den Hochfrequenzgeneratoren der bisherigen Bau- art weit grössere Möglichkeiten. Denn die durch die Nutenteilung bedingte obere Grenze der Polzahl fällt bei ihr weg, da die Wicklung nicht mehr in Längsnuten zwi schen die Pole gelegt werden muss. Bei der Maschine nach der Erfindung lässt sich eine viel kleinere Polteilung wählen:, wodurch in .der Auslegung der Hochfrequenzmaschinen ein viel grösserer und freierer Spielraum ge schaffen ist. Zudem erlaubt die Erfindung eine viel einfachere, billigere Herstellung und betriebssicherere Isolierung der Wechsel stromwicklung.
Homopolar machine, especially for generating alternating current of higher frequency. Medium and high frequency generators are usually built as homopolar types. The exciter winding is arranged as a coaxial ring resting between two also coaxial stator cores that carry a coil winding in axially parallel grooves, while the rotor is winding wick. The stator and rotor are provided with a speed corresponding to the number of pole points required to achieve the desired frequency. This type of construction allows alternating current machines to be designed with a higher number of poles than the type with wound poles, while maintaining the same circumferential speed.
After all, the number of poles is also limited for this type of construction because of the increasing number of poles, the increasingly narrower slot pitch and the associated difficulty of winding these slots. Furthermore, because of the many grooves, such machines are intricate and very costly to manufacture.
The invention not only greatly simplifies and makes the machine cheaper, but also a substantial increase in the number of poles and / or frequency, or for a given number of poles or frequency, a reduction in the diameter of the machine is possible.
The inven tion consists in the fact that, in addition to the DC exciter winding of the machine built as a homopolar type, the AC working winding as a coaxial coil is arranged in at least one coaxial annular groove between the pole projections of the stator and that the pole projections on both sides of the annular groove either on the stator or on the Rotors are offset from one another in the circumferential direction by one pole pitch.
In the drawing. Some Ausfüh approximate examples for the invention are shown, namely each show in longitudinal and cross section, Figs. 1 and 2, a four-pole arrangement to explain ider effect, Fig. 3 and 4 a multi-pole high-frequency machine with a cylindrical Armature and FIGS. 6 and 7 one with a disk-shaped armature, while FIG. 5 shows the dimensions of the stand of the machine according to FIG.
FIG. 8 shows half of the active part of a three-phase machine in longitudinal section, FIG. 9 shows a development of this part.
In Fig. 1, the upper half shows an imple mentation form again in which the axially adjacent pole projections of the stator are offset from each other by half a pole pitch, while those of the rotor are each in the same radial plane; the reverse case is illustrated in the lower half of FIG. 1. Fig. 2 shows the cross section through a machine of the first mentioned type.
In the magnetic coil a, which rests in a circumferential annular groove o of the stator b of the machine, a force flow is generated, which is either in the position shown of the rotor c along the dashed line over the pole jumps d, e of the rotor c and the front jumps f, y of the stator b, or after a quarter turn of the rotor c along the dash-dotted line over the Läuferervor jumps h-, i and stator projections j, k, closes. The inference of the magnetic circuit takes place through a cylindrical Ständerboh tion, it does not matter what diameter it has; the air gap can therefore be here at point l or at point m.
Between the stator pole projections f, g on the one hand and j, <I> k </I> on the other hand, the working winding s of the machine lies in an annular groove q, which, like the excitation coil a, is designed as a toroidal coil. It is with each change of the 'frictional connection from d, f to h, j respectively. from e, g to i, k cut once from the entire magnet field, each time in each coil wire an EMF proportional to the field and the cutting speed is induced, which prevails at the terminals of the machine minus the voltage drop in the coil conductors. It is an alternating voltage, because once the field is led away from the left to the right, the other time from the right to the left through the coil s.
The secondary frequency v naturally depends on the speed and is, if p is half the number of alternating pole projections and n is the speed per minute,
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For the example of FIGS. 1 and 2, p = 2, so that the machine delivers a single-phase current of 50 periods at 1500 revolutions per minute and a current of 100 periods at 3000 revolutions per minute. The generated EMF then results from the frequency, power flow and number of turns of the coil s connected in.
Mechanically, the arrangement with similar pole projections on the runner is more favorable than the arrangement with offset pole projections on the runner, at least when it comes to machines with few poles, because in the latter case, an imbalance occurs. However, this no longer plays a role in machines with many poles.
Fig. 3 to 5 show an 80-pole Ma machine that supplies a frequency of 1000 at 1500 revolutions per minute, for example.
Stator and rotor iron b, c are ge sheeted here, namely, the direction of the force flow according to, radially, as shown in FIG. Here, the intermediate pieces t between the pole projections d of the rotor do not need to be made of iron because they do not lead to a flow of force; They can be made of any suitable, mechanically resistant material, for example a resin-based plastic.
The stator plates b are held in dovetail-shaped grooves in the housing r, and the rotor plates are also held between press plates m, v which are dovetail-shaped in cross-section.
The machine is built symmetrically to the center plane perpendicular to its axis of rotation, so that the magnetic return circuit on the right is used in the same way as on the left. The two coils s and s' can be connected in series or in parallel. As can be seen from the development of Fig. 5, the power flows of the individual pole pairs NS respectively. N S 'completely independent of each other.
6 and 7. The radial pole length from inside to outside will decrease in the ratio as the mean pole width increases in the circumferential direction, so that the pole cross-section and the Power flow per pole projection remain constant. The course of the magnetic fluxes is as indicated in FIG. 3.
The machine can also be built in multiple phases. For example, a three-phase machine is shown in FIGS. Each coil s of the three phases I, II, 111 is arranged between two rows of pole projections f, j offset by 180 electrical degrees, and the rows of poles of the three phases are mutually 120 electrical degrees offset.
However, three-phase current can also be generated in such a way that in a machine, as shown in FIGS. 3 to 5, the rows of poles to the right and left of the excitation coil a are offset by 90 (electrical degrees and the two-phase current obtained in this way if the number of turns of the working windings is selected accordingly 's' is converted into three-phase current with the aid of Scott's circuit.
The machine can also, regardless of the frequency of the working winding, generate direct current, which can be taken from axially auseinan points of the rotor using brushes or other current collectors; it then acts as a Unipola, r machine. If necessary, this direct current can be used to feed the excitation coil a.
Just like being powered as a generator, the machine also runs, connected to an alternating current network and excited with direct current, driving as a: synchronous motor, if it has been: revved up and synchronized. The radial layering of the sheets has significant advantages. On the one hand, there is less sheet metal waste, which is particularly significant with the high-alloy, expensive sheets that are suitable for such machines. Furthermore, the radial stratification enables the same sheet metal cuts to be used for machines of the most varied frequencies, simply by changing the thickness of the sheet metal stacks.
To insert the magnet and work windings, the machine can be separated into individual sections perpendicular to the axial direction, for example at the annular grooves. The winding is also easier to insert if the machine is divided into two parts as usual by cutting through the longitudinal axis.
Compared to the high-frequency generators of the previous design, the new machine has far greater possibilities. Because the upper limit of the number of poles caused by the slot pitch is omitted with it, since the winding no longer has to be placed in longitudinal slots between the poles. In the machine according to the invention, a much smaller pole pitch can be selected, whereby a much larger and freer scope is created in the design of the high-frequency machines. In addition, the invention allows a much simpler, cheaper production and more reliable insulation of the alternating current winding.