Wechselstromgenerator Die Erfindung bezweckt einen Wechselstromgene rator zu schaffen, der keine beweglichen Kontakte, wie Gleitringe, Kommutatoren oder dergleichen auf weist und sich daher besonders gut dazu eignet, gegebenenfalls auf einfache Weise gegen die Einwir kung von Wasser oder schädlicher Atmosphäre ge schützt werden zu können.
Der Wechselstromgene rator nach der Erfindung zeichnet sich aus durch einen ringförmigen Stator, der eine Reihe von in Winkelabstand voneinander befindlichen Polen auf weist, die sich radial nach aussen erstrecken, durch einen Rotor, der einen sich in axialer Richtung erstre::
kenden Flansch aufweist, der die Statorpole umgibt, durch eine ringförmige Feldwicklung, die koaxial auf dem Stator angebracht ist und bei ihrer Erregung einen magnetischen Fluss erzeugt, der über die Statorpole zum genannten Rotor fliesst, durch vom Rotorflansch sich nach innen sich erstreckende Pole, die bei der Drehung des Rotors in und ausser Ausrichtung mit den Statorpolen kommen und da durch die Reluktanz der durch die Statorpole hin durch führenden Wege des Flusses ändern und somit auch den durch die Statorpole hindurch gehenden Fluss,
und durch eine Mehrzahl von Armaturwicklun- gen, von denen jede einen der Statorpole umgibt, so dass durch die Flussänderung eine Spannung in ihr induziert wird.
Ein derartiger Wechselstromgenerator eignet sich z. B. sehr gut, um als Hilfsstromquelle für einen Verbrennungsmotor oder dergleichen verwendet zu werden, wobei sein Rotor zugleich als Schwungrad für die Motorwelle dienen kann. Der Generator kann dabei so gebaut werden, dass er praktisch nicht mehr Platz beansprucht als übliche auf solchen Motoren vorgesehene Schwungräder.
In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Variante darge stellt. Es ist: Fig. 1 eine Stirnansicht eines Wechselstromgene- rators; Fig. 2 ein Schnitt gemäss Linie 2-2 von Fig. 1, in etwas kleinerem Massstabe, wobei auch Teile einer Maschinenwelle und eines Maschinengestells gezeigt sind, auf denen der Rotor, respektive der Stator des Generator angebracht sind;
Fig. 3 ein halber Schnitt gemäss Linie 3-3 von Fig. 2, unter Wegbrechung einiger Teile zur Sicht- barmachung anderer Teile, und unter schematischer Andeutung der Wicklungen; Fig. 4 ein Schema der elektrischen Verbindungen der Wicklungen des Generators; Fig. 5 eine halbe Stirnansicht einer Variante des Stators, die beim Generator nach Fig. 1 verwendbar ist; und Fig. 6 ein Schnitt gemäss Linie 6-6 von Fig. 5.
In den Fig. 1 ist ein Wechselstromgenerator 10 gezeigt, der eine bevorzugte Ausführungsform der Er findung darstellt. Der Wechselstromgenerator 10 um- fasst einen Rotor 12, der als Schwungrad ausgebildet und geeignet ist, an einer Maschinenwelle oder der gleichen angebracht zu werden; der Generator 10 umfasst ferner einen Stator 14, der geeignet ist an dem stationären Teil, d. h. dem Gestell, einer Maschi ne koaxial zu der den Rotor tragenden Welle ange bracht zu werden.
Der Generator kann beispielsweise so auf einer Maschine montiert sein, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, nach der der Rotor 12 an der Welle 16 und der Stator 14 am Gestellteil 18 montiert ist. Das Gestellteil 18 kann einen Teil eines Motorblockes bilden und die Welle 16 kann von eine Kurbelwelle angetrieben werden und im Gestellteil 18 mittels eines Kugellagers 20 gelagert sein. Eine Drehung der Welle 16 wird demnach eine Drehung des Rotors 12 relativ zum Stator 14 zur Folge haben.
Dem Stator sind Mittel zugeordnet, um ein magne tisches Feld zu erzeugen, das durch verschiedene Teile des Generators hindurch geht und eine Anzahl von Armaturwicklungen, die so angeordnet sind, dass in denselben elektrische Ströme induziert werden als Folge von Änderungen des mit ihnen verketteten ma gnetischen Flusses. Die Änderungen des magnetischen Flusses, die notwendig sind, um die Ströme in den Armaturwicklungen zu induzieren, werden durch auf dem Rotor angebrachte Mittel hervorgerufen, welche mit dem Stator zusammenarbeiten, um die Reluktanz der Flusswege durch die Armaturwicklungen zu ver ändern.
Die Konstruktion und die Anordnung der zusammenarbeitenden Rotor- und Statorteile und die elektrische Zusammenschaltung der verschiedenen Armaturwicklungen ist derart, dass das eine Brei- oder mehrphasige Ausgangsspannung erzeugt wird. Diese Ausgangsspannung kann direkt als Speisequelle für verschiedene Hilfsgeräte des Motors dienen, oder kann gleichgerichtet werden, um eine Batterie zu laden und dergleichen mehr.
Wie erwähnt, hat der Rotor 12 die Form eines Schwungrades. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der dargestellte Rotor 12 eine im wesentlichen axial ge richtete Nabe 22, eine Scheibe 24 und einen Flansch 26 aufweist, der sich vom Umfang der Scheibe 24 aus in gleicher Richtung wie die Nabe 22 erstreckt. Nabe, Scheibe und Flansch begrenzen eine ringförmi ge Ausnehmung 28, die den Stator 14 aufnimmt. Vorzugsweise bestehen Nabe, Scheibe und Flansch aus einem einzigen Stück, wie dargestellt, das durch Giessen oder Schmieden erzeugt worden sein kann. Das einzige Stück besteht aus geeignetem magne tischem Material, z. B.
Eisen oder Stahl, das einen Weg von kleiner magnetischer Reluktanz für den vom Stator erzeugten Fluss bildet; wobei es wichtig ist_, dass Flansch, Scheibe und Nabe einen Teil des Magnetkreises bilden.
Obwohl im Rahmen der Erfindung auch verschie dene andere Mittel vorgesehen werden können, um den Rotor 12 auf der Welle 16 zu befestigen, ist die Nabe 22 des dargestellten Rotors an ihrem in Fig. 2 rechten Ende mit einer konischen Bohrung 30 ver sehen, die einen entsprechend konischen Teil der Wel le 16 aufnimmt. Die Nabe 22 ist durch einen Keil 32 gegen Drehung gesichert, welcher Keil 32 in einer Nut 34 der Nabe und in einer entsprechenden Nut der Welle 16 sitzt, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Links von der konischen Bohrung 30 ist die Nabe 22 mit einer erweiterten Bohrung 36 versehen, die das mit Ge winde versehene Ende der Welle 36 aufnimmt, sowie eine Mutter 38 und eine Unterlegscheibe 40, die zur Fixierung des Rotors auf dem Schaft dienen. Wie aus Fig. 1 - 3 hervorgeht, ist ferner auf dem Flansch 26 des Rotors 12, ein ringförmiger Zahnkranz 42 befestigt, z. B. durch Press-Sitz, welcher den Rotor 12 umgebende Zahnkranz z.
B. dazu bestimmt ist, mit dem Ritzel eines Startmotors oder dergelichen zu- sammenzuarbeiten. Der Zahnkranz 42 ist jedoch für die Erfindung nicht wesentlich und kann, wenn ge wünscht, weggelassen werden.
Es ist zu bemerken, dass der Rotor 12 infolge der Anordnung seiner Teile ein relativ grosses Trägheits- moment um die Achse der Welle 16 hat, so dass er, abgesehen von seiner flussverändernden Funktion in bezug auf den Stator 14, auch als Schwungrad wirkt in bezug auf die Welle 16, und daher benützt werden kann, um das üblicherweise beim Motor angewendete Schwungrad zu ersetzen. Es ist ferner zu bemerken, dass sowohl der Rotor als der Stator so gebaut ist, dass beide nur relativ wenig Platz beanspruchen. Tatsächlich sind ihre Abmessungen derart, dass sie nur wenig, wenn überhaupt etwas mehr Raum bean spruchen als ein übliches Schwungrad.
Zum Zwecke eine Veränderung der Reluktanz der Flusswege herbeizuführen, welche die Armatur wicklungen mit dem Stator verketten, weist der Flansch 26 eine Mehrzahl von um einen Winkel ge geneinander versetzten, Polen oder Zähnen 44 auf, die im Kreis angeordnet sind und sich vom Körper des Flansches aus nach innen erstrecken.
Um die Hysteresis- und Wirbelstromverluste zu verringern, die infolge des variablen Flusses in den Polen 44 auftreten, sind diese Pole vorzugsweise mit einem besonderen Ring 46 versehen, der aus verschiedenen Lagen von Blech besteht und am Körper des Flan sches 16 im Press-Sitz angebracht ist, wie Fig. 2 am besten zeigt. Um den Ring 46 aufzunehmen ist die innere Oberfläche des Flansches 26 so bearbeitet, dass diese Oberfläche 48 zylindrisch ist und inner halb des Flansches 26 eine Schulter 50 aufweist.
Beim Zusammensetzen des Ringes mit der Schulter des Flansches, wird der Ring so weit in den Flansch gepresst, bis die innere, oder linksseitige Stirnfläche des Ringes 46 an der Schulter 50 liegt, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Konstruktion des Stators 14 geht am besten aus den Fig. 2 und 3 hervor. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass der Stator ein inneres, ringförmiges Glied 52 und ein äusseres, ringförmiges Glied 54 umfasst. Diese beiden Glieder bestehen aus magne tischem Material und bilden einen Teil eines Wegs für das magnetische Feld, das im Generator besteht. Das innere Glied 52 ist vorzugsweise von fester Bau weise und mit einer zylindrischen Bohrung 56 ver sehen, die einen Teil der Rotornabe 22 aufnimmt und eine entsprechende äussere, zylindrische Oberfläche hat.
Die Bohrung 56 ist geeignet, koaxial mit der Rotornabenoberfläche 58 angeordnet zu werden, und hat in bezug auf den Durchmesser dieser Oberfläche 58 einen solchen Durchmesser, dass ein dünner Luft spalt 60 zwischen der Bohrung 56 und der Oberfläche 58 gebildet ist.
Die äussere Oberfläche des inneren Statorgliedes 54 ist unterteilt in einen ersten axialen Teil, der das äussere Glied 54 aufnimmt und trägt, und einen zweiten axialen Teil, der die nachfolgend beschriebene Feldwicklung aufnimmt und trägt. Der erste axiale Teil ist vorzugsweise mit einer zylindrischen Fläche 62 versehen und der zweite axiale Teil mit einer zylin drischen Fläche 64, wobei die Fläche 64 von grösse- rem Durchmesser ist als die Fläche 62 und von letzterer durch eine radiale Schulter 66 getrennt ist. Wie gezeigt ist ist das äussere Statorglied vorzugs weise lamelliert und mit einer zentralen, zylindrischen Bohrung versehen, welche auf die Oberfläche des inneren Ringes 52 passt.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist das äussere Statorglied 54 in bezug auf das innere Statorglied 52 durch einen Keil 68 gegen Drehung gesichert. Man kann aber auch andere, geeignete Mittel zum winkelmässigen Befestigen des Aussen gliedes am Innengliede benützen, die beiden Glieder könnten z. B. durch Presse-Sitz verbunden sein.
Um das äussere Statorglied 54 axial in dem inneren Statorglied 52 festzulegen und auch um ein Mittel zur Montage des Stators an dem Gestellteil 18 vorzu sehen, ist dem Stator ein Montagering 70 zugeordnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Montagering 70 koaxial mit der Achse des Stators und des Rotors und mit dem Stator durch eine Mehrzahl von Schrau- beq 72 verbunden, welche sich axial durch das innere Statorglied 52 erstrecken und in den Montagering 70 eingeschraubt sind. Die Köpfe der Schrauben 72 sind in auf der linken Seite des inneren Statorgliedes vorgesehenen Ausnehmungen 74 aufgenommen.
An seinem inneren oder linken Ende ist der Montagering 70 mit einer Ausnehmung versehen, die zur Auf nahme des rechten Endes des inneren Statorgliedes 52 dient, und weist dieser Ring 70 ferner eine Ringrippe 76 auf, die das zugeordnete Ende dieses Gliedes 52 umgibt. Die Rippe 78 hat eine ringförmige Anschlag fläche 78, welche mit der äusseren Stirnfläche des äusseren Statorgliedes 54 in Berührung ist.
Das äus sere Statorglied 54 ist daher axial auf dem inneren Statorglied 52 festgeklemmt durch Eingriff mit der Schulter 66 auf seiner inneren oder linken Seite und durch Eingriff mit der Anschlagfläche 78 an seiner äusseren oder rechten Seite. An seinem rechten Ende hat der Montagering einen ringförmigen Absatz 80, der in eine entsprechende, ringförmige Ausnehmung des Gestellteiles 18 eingreift. um den Montagering 70 und den Stator 14 koaxial zur Achse der Welle 16 zu halten.
Der Montagering 70 weist zu seiner Befesti gung am Gestellteil 18 eine Mehrzahl von gelochten Lappen 82 auf, die sich von seinem Körper aus nach aussen erstrecken, um Bolzen oder andere zu seiner Befestigung am Gestellteil 18 dienende Vorrichtungen aufzunehmen. Der Montagering 70 bildet keinen Teil des Magnetkreises und besteht vorzugsweise aus nicht magnetischem Material, wie z. B. Aluminium, um ein Streuen des Magnetflusses zum Motorgestell zu ver meiden.
Wie am besten aus Fig. 1 und 3 ersichtlich, weist das äussere Statorglied 54 eine Mehrzahl von radial nach aussen vorstehenden Zähnen oder Polen 84 auf, von denen jeder eine Armaturwicklung 86 aufnimmt und von derselben umgeben ist. Die Statorpole 84 sind winkelmässig gegeneinander versetzt angeordnet und haben äussere Stirnflächen 88, welche nur einen kleinen Abstand von den inneren Stirnflächen 90 der Rotorpole 44 haben, wenn die Rotorpole mit ihnen bei der Rotation des Rotors ausgerichtet sind.
Wenn ein Rotorpol 44 mit einem entsprechenden Statorpol 84 radial ausgerichtet ist, ist also ein schma ler Luftspalt zwischen diesen Polen 44 und 84 vor handen.
Die Armaturwicklungen können an den zugehö rigen Statorpolen 84 durch verschiedene passende Mit tel befestigt sein, aber in dem bevorzugten und darge stellten Fall werden sie an ihrem Platz festgehalten durch eine Mehrzahl von Halteelementen 91. Die Elemente 91 bestehen aus im wesentlichen flachen Stücken oder Streifen aus nichtmagnetischem Ma terial, wobei jedes derselben den Raum zwischen einem zugeordneten Paar von benachbarten Stator- polen 84 überbrückt und an seinen in Umfangs richtung entgegengesetzten Enden in an den Seiten der Statorpole vorgesehene Nuten eingreift, wie ge zeigt.
Die Halteelemente selbst werden vorzugsweise durch die Reibung zwischen denselben und den zuge hörigen Polen an ihrem Platz gehalten, obwohl hierzu auch andere Mittel benützt werden können.
Vorzugsweise haben die Stirnflächen 90 der Rotor pole 44 in Umfangsrichtung die gleiche Länge wie die Stirnflächen 88 der Statorpole 84. Angenommen dass - wie dies auch tatsächlich der Fall ist - ein magnetischer Fluss vom Stator zum Rotor fliesst, so ist es nach Fig. 3 offensichtlich, dass bei der Dre hung des Rotors 12 die Pole 84 des Stators 14 ab wechselnd in und ausser Ausrichtung mit den Rotor polen 44 kommen.
Wenn ein betrachteter Statorpol 84 genau winkelmässig mit einem Rotorpol 44 ausge richtet ist, hat der Flussweg durch diesen Pol eine minimale Reluktanz und der totale, durch den Pol gehende Fluss einen Maximalwert. Wenn dagegen der Statorpol 84 in der Mitte zwischen zwei benach barten Rotorpolen liegt, ist die Reluktanz des Fluss- weges durch den Pol verhältnismässig gross und der totale Fluss durch den Pol wird einen minimalen Wert haben, der annähernd Null ist.
Zwischen diesen bei den Stellungen des Statorpoles in bezug auf den Rotorpol werden die Reluktanz des Flussweges und der totale Fluss durch den Statorpol Zwischenwerte haben. Dementsprechend wird durch die Drehung des Rotors der Fluss durch die verschiedenen Statorpole 84 geändert, so dass in der Armaturwicklungen, die auf diesen Polen sitzen, elektrische Ströme oder EMK's induziert werden.
Die Mittel zur Errichtung eines magnetischen Fel des im Generator umfassen eine ringförmige Wick lung 92, welche vorgesehen ist, um mit Gleichstrom erregt zu werden. Die Erregung der Wicklung 92 kann von einer äusseren Stromquelle aus bewirkt werden oder man kann hierzu den Ausgangsstrom der Gene ratorwicklungen verwenden, nach Gleichrichtung des selben. Im dargestellten Beispiel ist die Wicklung 92 als eine einzige Spule dargestellt, die im Falle von Selbsterregung vorgesehen sein kann, für Serie- oder für Parallelschaltung mit der Belastung.
Obwohl nicht dargestellt, ist es auch vorgesehen die Wicklung aus zwei Teilen oder Spulen zusammenzusetzen, wobei der eine Teil oder Spule mit der Belastung in Serie, der andere dagegen parallel geschaltet ist (Compound- schaltung).
Die dargestellte Feldwicklung 92 umgibt das in nere Statorglied 52 und ist zwischen der linken Seite des äusseren Statorgliedes 54 und der Scheibe 24 des Rotors 12 angeordnet, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Die Wicklung 92 hat eine zentrale Öffnung, mit der sie auf der zylindrischen Oberfläche 64 des inne ren Statorgliedes 52 sitzt und wird axial auf diesem Gliede festgehalten durch eine Mehrzahl von Halte elementen 94, die auf dem Stator 14 mittels der Schrauben 72 befestigt sind und an der linken Seite der Wicklung 92 anliegen, wie in Fig. 2 gezeigt ist, um die Wicklung 92 am äusseren Statorglied 54 festzuhalten. Die Wicklung 92 ist in radilaer Richtung vorzugsweise flach und erstreckt sich im Wesentlichen bis zu den äusseren Stirnflächen der Statorpole 84.
Wenn die Wicklung 92 erregt ist, erzeugt sie im Generator einen im Wesentlichen torisch verlaufenden magnetischen Fluss, wobei Torusachse mit der ge meinsamen Achse des Rotors 12 und des Stators 14 zusammenfällt. In Fig. 2 ist der Magnetkreis im Sta- tor 14 und im Rotor 12 gestrichelt angedeutet.
Ange nommen, dass der Fluss allgemein in Richtung von den Statorpolen 84 zu den Rotorpolen 44 fliesst, dann wird der Fluss von einem Statorpol 84 über einen Luftspalt zu einem Rotorpol 44, dann axial längs des Rotorflansches 26 und dann radial einwärts in der Rotorplatte 24 strömen. Der Fluss überquert dann den Luftspalt 60 und dringt in das innere Stator- glied 52 ein, von wo er zum Körper des äusseren Statorgliedes 54 und zurück zum Statorpol 84 kommt.
Man wird bemerken, dass das den Magnetfluss leiten de Material so angeordnet ist, dass der Magnetkreis die Feldwicklung 92 eng umschliesst. Es ergibt sich daraus eine Verminderung der gesamten Reluktanz des Magnetkreises und eine Verminderung der Streu ung. Die Reluktanz des Magnetkreises kann ferner vermindert werden, indem man den Luftspalt 60 klein macht, was wegen der koaxialen Anordnung der gegenüberliegenden Flächen leicht möglich ist.
Es ist ferner zu bemerken, dass die Flussänderun- gen im wesentlichen auf die Statorpole 84 und die Rotorpole 44 beschränkt sind, während auf den ande ren Teilen des Magnetkreises der Fluss stets gleich gerichtet und im Wesentlichen konstant ist; d. h. dass der magnetische Fluss im Flansch 26, in der Scheibe 24 und in der Nabe 22 sich im Wesentlichen nicht ändert. Auch im inneren Statorglied 52 und in dem jenigen Teil des äusseren Statorgliedes 54, der sich radial einwärts der Pole 84 befindet, ist die Schwan kung des Flusses gering.
Infolgedessen sind Hystere- sis- und Wirbelstromverluste in diesen Teilen des Wechselstromgenerators praktisch vermieden, so dass dieselben aus vollem, d. h. nicht lamelliertem Mate rial bestehen können. Dies vermindert in starkem Masse das Brummen oder Eisengeräusch , da die ge räuscherzeugenden Flussänderungen nur in den Polen stattfinden, die aber nur einen kleinen Teil des gan zen Magnetkreises darstellen, was somit zu einem ruhigen Arbeiten beiträgt. Darüber hinaus haben die Flussänderungen, die in den Rotor- und Statorpolen auftreten keine nennenswerte Wirkung auf den mit der Feldwicklung 92 verketteten Fluss, so dass wenig oder keine Spannung in der Feldwicklung induziert wird.
Eine solche induzierte Spannung hätte, falls vorhanden, die Neigung der angelegten Feldspannung entgegenwirken, so dass eine hohe Spannung angelegt werden müsste, um die gewünschte Anzahl von Feld- Amperewindungen aufrecht zu erhalten.
Wie früher erwähnt worden ist, ist ein Wechsel stromgenerator 10 zur Lieferung einer mehrphasigen Ausgangsspannung vorgesehen. Um dies zu erzielen, sind die Rotor- und Statorpole so angeordnet; dass während eine Gruppe von Statorpolen mit entspre chenden Rotorpolen ausgerichtet ist, andere Gruppen von Statorpolen sich in anderen Stellungen gegenüber anderen Rotorpolen befinden.
Demzufolge werden die Ströme und Spannungen, die in den Armatur wicklungen der einen Gruppe von Statorpolen erzeugt werden, die nicht in Phase stehen mit den Strömen und Spannungen, die in anderen Gruppen von Stator- polen erzeugt werden.
Im dargestellten Generator sind beispielsweise Ro tor und Statorpole so angeordnet, dass sich eine dreiphasige Ausgangsspannung ergibt. Die Statorpole 84 und die zugeordneten Armaturwicklungen 86 sind in drei Gruppen unterteilt, und ihre Beziehung zu den Rotorpolen 44 ist so, dass wenn die Pole der einen Gruppe winkelmässig genau mit den entspre chenden Rotorpolen 44 ausgerichtete sind, die Pole einer der beiden anderen zwei Gruppen um -f-120 elektrische Grade aus der genauen Ausrichtung mit denselben oder anderen Rotorpolen verschoben sind,
während die Pole der anderen Gruppe um -120 elek trische Grade aus der genauen Ausrichtung mit den selben oder anderen Rotorpolen verschoben sind. In folgedessen werden die Ströme und Spannungen, die in den Wicklungen einer Gruppe erzeugt werden, um -I- bzw. - l20 e1. ausser Phase sein mit den Strömen und Spannungen, die in den Wicklungen der beiden anderen Gruppen induziert werden.
Obwohl verschiedene Anordnungen der Stator- und Rotorpole vorgesehen werden können, um solch eine Phasenbeziehung zwischen den drei Gruppen der Statorpole und Wicklungen zu erzielen, ist die bevorzugte in Fig. 1 gezeigt.
Gemäss Fig. 1 sind die Rotorpole 44 in Umfangsrichtung des Rotorflansches 26 in gleichen Winkelabständen voneinander angeord net, und sind die Statorpole 84 ebenfalls in Umfangs richtung des äusseren Statorgliedes 54 um gleiche Winkelabstände gegeneinander versetzt, die aber klei ner sind als die Winkelstände des Rotors.
Ange nommen, dass der Winkelabstand zwischen benach barten Rotorpolen 44 gleich 360 e1. ist, wie in Fig. 1 angegeben ist, beträgt der Winkelabstand zwischen benachbarten Statorpolen 84 nur 240 el. Wenn Stator und Rotor sich in der in Fig. 1 gezeigten Lage befin den, ist jeder dritte Statorpol @ 84 genau ausgerichtet mit einem entsprechenden Rotorpol 44.
In Fig. 1 sind diese Statorpole und ihre zugeordneten Wicklun gen mit dem Buchstaben a bezeichnet und bildet zusammen die oben genannte erste Pol- und Wick lungsgruppe.
Angenommen, dass der Rotor 12 im Uhrzeiger sinne gedreht wird, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet ist, werden die Statorpole und -wicklun- gen, die in Fig. 1 mit dem Buchstaben c bezeichnet sind, sich der Ausrichtung mit anderen Rotorpolen nähern. Gleichzeitig werden sich die mit b bezeichne ten Wicklungen und Pole, sich von einer Ausrichtung mit denjenigen Rotorpolen entfernen, denen sich die mit c bezeichneten Wicklungen und Pole in bezug auf die Ausrichtung nähern. Die mit b, respektive c, bezeichneten Wicklungen und Pole bilden, die zweite, respektive die dritte oben erwähnte Gruppe.
Unter den in Fig. 1 gezeigten Bedingungen, wird die Reluktanz der Magnetwege durch die einzelnen Statorpole der Gruppe a einen Minimalwert haben, die Reluktanz der Magnetwege durch die Statorpole der Gruppe c wird abnehmen und die Reluktanz der Magnetwege durch die Statorpole der Gruppe b wird abnehmen. Infolgedessen wird der Fluss durch die Pole und Wicklungen der Gruppe a einen Maxi malwert haben, der Fluss durch die Pole und Wick lungen der Gruppe a einen Maximalwert haben, der Fluss durch die Pole und Wicklungen der Gruppe c wird zunehmen und der Fluss durch die Pole und Wicklungen der Gruppe b wird abnehmen.
Ange nommen, dass infolge der Drehung des Rotors der Fluss in jedem Statorpol sinusförmig variiert, wie dies angenähert auch der Fall ist, so werden die in den Armaturwicklungen induzierten Spannungen ebenfalls sinusförmig veriieren, wobei die in jeder Wicklung induzierte Spannung in der Phase dem zugehörigen Fluss um 90 voraneilt.
Ferner ist die Phasenbezie hung zwischen den in den drei Gruppen von Wick lungen induzierten Spannungen derart, dass die von den Wicklungen der Gruppe c erzeugte Spannung der in den Wicklungen der Gruppe a erzeugten Spannung um 120 nacheilt, während die in den Wicklungen der Gruppe b erzeugte Spannung der in den Wicklungen der Gruppe a erzeugten Spannung um 120 voreilt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Wicklungen jeder der drei Gruppen vorzugsweise elektrisch in Serie geschaltet, indem die Wicklungen der Gruppe a durch Leiter 100, die Wicklungen der Gruppe b durch Leiter 102 und die Wicklungen der Gruppe c durch Lei ter 104 miteinander verbunden sind. Fig. 4 zeigt schematisch die elektrischen Verbindungen der Wick lungen; es ist ersichtlich, dass die drei Gruppen von seriegeschalteten Wicklungen in der üblichen Stern schaltung miteinander verbunden sind. Anstelle der Sternschaltung könnten die drei Gruppen von serie- geschalteten Wicklungen auch in Dreieck geschaltet werden.
Zur Abnahme der dreiphasigen Ausgangs spannung des Generators und zur Zuführung. des Gleichstromes für die Felderregung dienen Leiter, die in den Fig. 1 und 2 mit<B>106</B> bezeichnet sind. Es ist klar, dass die Ausgangsspannung von der Stärke des magnetischen Feldes abhängt, das durch die Feldwicklung 92 erregt wird, und daher einfach durch Änderung der der Feldwicklung 92 zugeführten Span nung verändert werden kann.
Ein wichtiges Merkmal des beschriebenen Gene- rators ist, dass er leicht und auf wirtschaftliche Weise gegen Wasser oder andere Fluiden geschützt werden kann. Fig. 5 und 6 zeigen einen wasserdicht gemach ten Stator 110 der im Generator 10 anstelle des in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Stators verwendet werden kann.
Der Stator 110 ist dem oben beschrie benen Stator 14 gleich, abgesehen von einem zusätz lichen wesserdichten Überzug, der die Feldwicklung 92, die Armaturwicklungen 86 und mindestens einen Teil des übrigen Stators umgibt, um die Feld- und Armaturwicklungen vollständig von der umgebenden Atmosphäre abzudichten. In Fig. 5 und 6 ist das Überzugsmaterial bei 112 gezeigt. Dieses Material ist vorzugsweise Epoxy oder ein anderes, für derartige Zwecke übliches Material.
Das Material kann an dem Stator unter Benützung einer Form angebracht werden ,in welchem Falle das überzugsmaterial um die verschiedenen Teile des Stators gegossen wird. Man kann stattdessen auch den Stator in ein Bad von überzugsmaterial eintauchen.
Nach dem Guss- oder Tauchverfahren muss jeg liches Material, das an den Stirnflächen 88 der Pole 84 haftet, entfernt werden, um ein Zusammentreffen mit den Rotorpolen 44 zu vermeiden. In gleicher Weise muss jegliches Überzugsmaterial entfernt wer den, das an der Bohrung 56 haftet, um eine Störung der Rotornabe 22 zu vermeiden. Da der Generator keine beweglichen Kontakte aufweist, umgibt das Überzugsmaterial alle stromführenden Elemente und gewährleistet dadurch einen höheren Grad von Was serdichtheit, als er im allgemeinen mit anderen elek trischen Generatoren erzielbar ist.
Der Rotor 12 kann gegebenenfalls auch mit einem Überzug versehen werden, um ein Rasten zu verhindern; da der Rotor jedoch keine stromführenden Elemente trägt ist dies nicht nötig, um eine vollständige und wirksame Was sersicherheit des Generators zu gewährleisten.
AC generator The invention aims to create an AC generator that has no moving contacts such as slip rings, commutators or the like and is therefore particularly well suited to being able to be protected against the effects of water or harmful atmosphere in a simple manner if necessary.
The alternating current generator according to the invention is characterized by an annular stator, which has a number of angularly spaced poles that extend radially outward, by a rotor that extends one axially:
kenden flange, which surrounds the stator poles, by an annular field winding which is coaxially mounted on the stator and, when excited, generates a magnetic flux that flows via the stator poles to the said rotor, through poles extending inward from the rotor flange, the come in and out of alignment with the stator poles during the rotation of the rotor and because of the reluctance of the flux paths through the stator poles change and thus also the flux passing through the stator poles,
and by a plurality of armature windings, each of which surrounds one of the stator poles, so that the change in flux induces a voltage in it.
Such an alternator is suitable for. B. very good to be used as an auxiliary power source for an internal combustion engine or the like, its rotor can also serve as a flywheel for the motor shaft. The generator can be built in such a way that it practically does not take up more space than conventional flywheels provided on such engines.
In the drawing, an embodiment of the subject invention and a variant are Darge provides. It is: FIG. 1 an end view of an alternating current generator; FIG. 2 shows a section along line 2-2 of FIG. 1, on a somewhat smaller scale, parts of a machine shaft and a machine frame on which the rotor and the stator of the generator are attached;
3 shows a half section along line 3-3 of FIG. 2, with some parts broken away to reveal other parts, and with a schematic indication of the windings; Figure 4 is a diagram of the electrical connections of the windings of the generator; FIG. 5 shows a half front view of a variant of the stator which can be used in the generator according to FIG. 1; and FIG. 6 shows a section along line 6-6 of FIG.
In Fig. 1, an alternator 10 is shown which is a preferred embodiment of the invention. The alternator 10 comprises a rotor 12, which is designed as a flywheel and is suitable for being attached to a machine shaft or the like; the generator 10 further comprises a stator 14 which is suitable on the stationary part, i.e. H. the frame, a Maschi ne coaxially to the shaft carrying the rotor to be introduced.
The generator can be mounted on a machine, for example, as shown in FIG. 2, after which the rotor 12 is mounted on the shaft 16 and the stator 14 is mounted on the frame part 18. The frame part 18 can form part of an engine block and the shaft 16 can be driven by a crankshaft and be supported in the frame part 18 by means of a ball bearing 20. A rotation of the shaft 16 will accordingly result in a rotation of the rotor 12 relative to the stator 14.
Means are associated with the stator to generate a magnetic field that passes through various parts of the generator and a number of armature windings which are arranged so that electrical currents are induced in the same as a result of changes in the magnetic interlinked with them River. The changes in the magnetic flux necessary to induce the currents in the armature windings are caused by means mounted on the rotor which cooperate with the stator to change the reluctance of the flux paths through the armature windings.
The construction and arrangement of the cooperating rotor and stator parts and the electrical interconnection of the various armature windings is such that a pulp or multiphase output voltage is generated. This output voltage can serve directly as a supply source for various auxiliary devices of the motor, or can be rectified in order to charge a battery and the like.
As mentioned, the rotor 12 has the shape of a flywheel. From Fig. 2 it can be seen that the illustrated rotor 12 has a substantially axially aligned hub 22, a disk 24 and a flange 26 which extends from the circumference of the disk 24 in the same direction as the hub 22. The hub, disc and flange delimit a recess 28 which is annular and which receives the stator 14. Preferably, the hub, disc and flange consist of a single piece, as shown, which may have been produced by casting or forging. The only piece consists of suitable magne tables material such. B.
Iron or steel, which provides a path of small magnetic reluctance for the flux generated by the stator; where it is important_ that the flange, disc and hub form part of the magnetic circuit.
Although in the context of the invention also various other means can be provided to fasten the rotor 12 on the shaft 16, the hub 22 of the rotor shown is seen at its right end in Fig. 2 with a conical bore 30 ver, the one correspondingly conical part of the Wel le 16 receives. The hub 22 is secured against rotation by a wedge 32, which wedge 32 is seated in a groove 34 of the hub and in a corresponding groove of the shaft 16, which is shown in FIG.
To the left of the conical bore 30, the hub 22 is provided with an enlarged bore 36 which receives the threaded end of the shaft 36, as well as a nut 38 and a washer 40 which are used to fix the rotor on the shaft. As can be seen from FIGS. 1-3, an annular ring gear 42 is also attached to the flange 26 of the rotor 12, e.g. B. by press fit, which the rotor 12 surrounding ring gear z.
B. is intended to work together with the pinion of a starter motor or the like. The ring gear 42 is not essential to the invention and can be omitted if desired.
It should be noted that due to the arrangement of its parts, the rotor 12 has a relatively large moment of inertia about the axis of the shaft 16 so that, apart from its flux-changing function in relation to the stator 14, it also acts as a flywheel in relation to it on the shaft 16, and can therefore be used to replace the flywheel usually used in the engine. It should also be noted that both the rotor and the stator are constructed in such a way that both take up relatively little space. In fact, their dimensions are such that they take up little, if any, more space than a conventional flywheel.
For the purpose of changing the reluctance of the flux paths which concatenate the armature windings with the stator, the flange 26 has a plurality of angularly offset poles or teeth 44 which are arranged in a circle and extend from the body of the flange extend from inward.
In order to reduce the hysteresis and eddy current losses that occur as a result of the variable flux in the poles 44, these poles are preferably provided with a special ring 46, which consists of different layers of sheet metal and attached to the body of the flange 16 in a press fit is as Fig. 2 best shows. In order to receive the ring 46, the inner surface of the flange 26 is machined so that this surface 48 is cylindrical and has a shoulder 50 within the flange 26.
When assembling the ring with the shoulder of the flange, the ring is pressed into the flange until the inner or left-hand end face of the ring 46 lies on the shoulder 50, as shown in FIG. 2.
The construction of the stator 14 is best seen in FIGS. 2 and 3. It can be seen from these figures that the stator comprises an inner, annular member 52 and an outer, annular member 54. These two links are made of magnetic material and form part of a path for the magnetic field that exists in the generator. The inner member 52 is preferably of solid construction, and see ver with a cylindrical bore 56 which receives part of the rotor hub 22 and has a corresponding outer, cylindrical surface.
The bore 56 is adapted to be arranged coaxially with the rotor hub surface 58 and, with respect to the diameter of this surface 58, has a diameter such that a thin air gap 60 is formed between the bore 56 and the surface 58.
The outer surface of the inner stator member 54 is divided into a first axial part, which receives and supports the outer member 54, and a second axial part, which receives and supports the field winding described below. The first axial part is preferably provided with a cylindrical surface 62 and the second axial part with a cylindrical surface 64, the surface 64 being of greater diameter than the surface 62 and being separated from the latter by a radial shoulder 66. As shown, the outer stator member is preferably laminated and provided with a central, cylindrical bore which fits onto the surface of the inner ring 52.
As can be seen from FIG. 3, the outer stator member 54 is secured against rotation with respect to the inner stator member 52 by a wedge 68. But you can also use other suitable means for angularly attaching the outer member to the inner member, the two members could, for. B. be connected by press seat.
In order to fix the outer stator member 54 axially in the inner stator member 52 and also to provide a means for mounting the stator on the frame part 18, a mounting ring 70 is assigned to the stator.
As can be seen from FIG. 2, the mounting ring 70 is connected coaxially to the axis of the stator and the rotor and to the stator by a plurality of screws 72 which extend axially through the inner stator member 52 and are screwed into the mounting ring 70 . The heads of the screws 72 are received in recesses 74 provided on the left side of the inner stator member.
At its inner or left end, the mounting ring 70 is provided with a recess which is used to take on the right end of the inner stator member 52, and this ring 70 also has an annular rib 76 which surrounds the associated end of this member 52. The rib 78 has an annular stop surface 78 which is in contact with the outer end face of the outer stator member 54.
The outer stator member 54 is therefore axially clamped on the inner stator member 52 by engagement with the shoulder 66 on its inner or left side and by engagement with the stop surface 78 on its outer or right side. At its right-hand end, the mounting ring has an annular shoulder 80 which engages in a corresponding, annular recess in the frame part 18. to keep the mounting ring 70 and the stator 14 coaxial with the axis of the shaft 16.
The mounting ring 70 has for its fastening on the frame part 18 to a plurality of perforated tabs 82 which extend outwardly from its body in order to receive bolts or other devices serving for its attachment to the frame part 18. The mounting ring 70 does not form part of the magnetic circuit and is preferably made of non-magnetic material, such as. B. aluminum to avoid scattering of the magnetic flux to the motor frame.
As can best be seen from FIGS. 1 and 3, the outer stator member 54 has a plurality of radially outwardly projecting teeth or poles 84, each of which receives an armature winding 86 and is surrounded by the same. The stator poles 84 are angularly offset from one another and have outer end faces 88 which are only a small distance from the inner end faces 90 of the rotor poles 44 when the rotor poles are aligned with them during the rotation of the rotor.
If a rotor pole 44 is aligned radially with a corresponding stator pole 84, there is a narrow air gap between these poles 44 and 84.
The armature windings may be attached to the associated stator poles 84 by various suitable means, but in the preferred and illustrated case they are held in place by a plurality of retaining elements 91. The elements 91 are made up of substantially flat pieces or strips non-magnetic material, each of which bridges the space between an associated pair of adjacent stator poles 84 and engages at its ends opposite in the circumferential direction in grooves provided on the sides of the stator poles, as shown.
The holding elements themselves are preferably held in place by the friction between the same and the associated poles, although other means can also be used for this purpose.
Preferably, the end faces 90 of the rotor poles 44 have the same length in the circumferential direction as the end faces 88 of the stator poles 84. Assuming that - as is actually the case - a magnetic flux flows from the stator to the rotor, it is evident from FIG that during the rotation of the rotor 12, the poles 84 of the stator 14 come from alternately in and out of alignment with the rotor poles 44.
If a stator pole 84 under consideration is precisely angularly aligned with a rotor pole 44, the flux path through this pole has a minimum reluctance and the total flux passing through the pole has a maximum value. If, on the other hand, the stator pole 84 lies in the middle between two adjacent rotor poles, the reluctance of the flux path through the pole is relatively large and the total flux through the pole will have a minimum value that is approximately zero.
Between these at the positions of the stator pole with respect to the rotor pole, the reluctance of the flux path and the total flux through the stator pole will have intermediate values. Correspondingly, the rotation of the rotor changes the flux through the various stator poles 84, so that electrical currents or EMFs are induced in the armature windings that sit on these poles.
The means for establishing a magnetic field in the generator comprise an annular winding 92, which is provided to be excited with direct current. The excitation of the winding 92 can be brought about by an external power source, or the output current of the generator windings can be used for this purpose, after rectifying the same. In the example shown, the winding 92 is shown as a single coil, which can be provided in the case of self-excitation, for series or for parallel connection with the load.
Although not shown, it is also provided that the winding is composed of two parts or coils, one part or coil being connected in series with the load and the other being connected in parallel (compound circuit).
The field winding 92 shown surrounds the inner stator member 52 and is arranged between the left side of the outer stator member 54 and the disk 24 of the rotor 12, as can be seen from FIG.
The winding 92 has a central opening with which it sits on the cylindrical surface 64 of the inner Ren stator member 52 and is axially retained on this member by a plurality of holding elements 94 which are attached to the stator 14 by means of the screws 72 and to the left side of the winding 92, as shown in FIG. 2, in order to hold the winding 92 on the outer stator member 54. The winding 92 is preferably flat in the radial direction and extends essentially to the outer end faces of the stator poles 84.
When the winding 92 is excited, it generates a substantially toroidal magnetic flux in the generator, the toroidal axis coinciding with the common axis of the rotor 12 and the stator 14. In FIG. 2, the magnetic circuit in the stator 14 and in the rotor 12 is indicated by dashed lines.
Assuming that the flux flows generally in the direction from the stator poles 84 to the rotor poles 44, then the flux will flow from a stator pole 84 via an air gap to a rotor pole 44, then axially along the rotor flange 26 and then radially inwardly in the rotor plate 24 . The flux then crosses the air gap 60 and enters the inner stator member 52, from where it comes to the body of the outer stator member 54 and back to the stator pole 84.
It will be noted that the flux conducting material is arranged so that the magnetic circuit closely surrounds the field winding 92. This results in a decrease in the total reluctance of the magnetic circuit and a decrease in the leakage. The reluctance of the magnetic circuit can also be decreased by making the air gap 60 small, which is easily possible because of the coaxial arrangement of the opposing surfaces.
It should also be noted that the flux changes are essentially restricted to the stator poles 84 and the rotor poles 44, while the flux is always directed in the same direction and essentially constant on the other parts of the magnetic circuit; d. H. that the magnetic flux in the flange 26, in the disk 24 and in the hub 22 does not change substantially. Also in the inner stator member 52 and in that part of the outer stator member 54 which is located radially inward of the poles 84, the fluctuation of the flux is low.
As a result, hysteresis and eddy current losses in these parts of the alternator are practically avoided, so that they can be fully, i.e. H. can consist of non-laminated material. This greatly reduces the humming or iron noise, since the noise-generating flux changes only take place in the poles, which, however, only represent a small part of the entire magnetic circuit, which thus contributes to quiet work. In addition, the changes in flux that occur in the rotor and stator poles have no appreciable effect on the flux linked to the field winding 92, so that little or no voltage is induced in the field winding.
Such an induced voltage, if any, would have counteracted the slope of the applied field voltage so that a high voltage would have to be applied to maintain the desired number of field ampere-turns.
As mentioned earlier, an alternator 10 is provided for supplying a polyphase output voltage. To achieve this, the rotor and stator poles are arranged; that while a group of stator poles is aligned with corresponding rotor poles, other groups of stator poles are in different positions with respect to other rotor poles.
As a result, the currents and voltages generated in the armature windings of one group of stator poles are not in phase with the currents and voltages generated in other groups of stator poles.
In the generator shown, for example, the rotor and stator poles are arranged so that a three-phase output voltage results. The stator poles 84 and associated armature windings 86 are divided into three groups, and their relationship to the rotor poles 44 is such that when the poles of one group are precisely angularly aligned with the corresponding rotor poles 44, the poles of one of the other two groups are shifted -f-120 electrical degrees from exact alignment with the same or different rotor poles,
while the poles of the other group are shifted by -120 electrical degrees from the exact alignment with the same or different rotor poles. As a result, the currents and voltages generated in the windings of a group are -I- and -I20 e1, respectively. Be out of phase with the currents and voltages induced in the windings of the other two groups.
Although various arrangements of the stator and rotor poles can be provided to achieve such a phase relationship between the three groups of stator poles and windings, the preferred one is shown in FIG.
1, the rotor poles 44 are in the circumferential direction of the rotor flange 26 at the same angular intervals from each other angeord net, and the stator poles 84 are also offset in the circumferential direction of the outer stator member 54 by the same angular distances from each other, but they are smaller than the angular positions of the rotor.
Assume that the angular distance between neighboring rotor poles 44 is equal to 360 e1. As indicated in FIG. 1, the angular distance between adjacent stator poles 84 is only 240 el. When the stator and rotor are in the position shown in FIG. 1, every third stator pole 84 is precisely aligned with a corresponding rotor pole 44 .
In Fig. 1, these stator poles and their associated Wicklun conditions are denoted by the letter a and together form the above-mentioned first pole and winding group.
Assuming that the rotor 12 is rotated clockwise, as indicated by an arrow in FIG. 1, the stator poles and windings, which are denoted by the letter c in FIG. 1, will align with other rotor poles approach. At the same time, the windings and poles denoted by b will move away from alignment with those rotor poles which the windings and poles denoted by c are approaching with respect to alignment. The windings and poles labeled b and c respectively form the second and third group mentioned above.
Under the conditions shown in Fig. 1, the reluctance of the magnetic paths through the individual stator poles of group a will have a minimum value, the reluctance of the magnetic paths through the stator poles of group c will decrease, and the reluctance of the magnetic paths through the stator poles of group b will decrease . As a result, the flux through the poles and windings of group a will have a maximum value, the flux through the poles and windings of group a will have a maximum value, the flux through the poles and windings of group c will increase and the flux through the poles and group b windings will decrease.
Assuming that the flux in each stator pole varies sinusoidally as a result of the rotation of the rotor, as is approximately the case, the voltages induced in the armature windings will also vary sinusoidally, with the voltage induced in each winding in phase with the associated flux rushes ahead by 90.
Furthermore, the phase relationship between the voltages induced in the three groups of windings is such that the voltage produced by the windings in group c lags the voltage produced in the windings in group a by 120, while that produced in the windings in group b Voltage leads the voltage generated in the windings of group a by 120.
As shown in FIG. 1, the windings of each of the three groups are preferably electrically connected in series by connecting the windings of group a through conductors 100, the windings of group b through conductors 102 and the windings of group c through conductors 104 are. Fig. 4 shows schematically the electrical connections of the windings; It can be seen that the three groups of series-connected windings are connected to one another in the usual star connection. Instead of star connection, the three groups of series-connected windings could also be connected in delta.
For taking off the three-phase output voltage of the generator and for feeding. The direct current for the field excitation is provided by conductors which are designated in FIGS. 1 and 2 with <B> 106 </B>. It will be appreciated that the output voltage depends on the strength of the magnetic field excited by field winding 92 and can therefore be varied simply by changing the voltage applied to field winding 92.
An important feature of the generator described is that it can be protected easily and economically against water or other fluids. 5 and 6 show a watertight stator 110 which can be used in generator 10 instead of the stator shown in FIGS. 1, 2 and 3.
The stator 110 is the same as the stator 14 described above, except for an additional union waterproof coating that surrounds the field winding 92, the armature windings 86 and at least part of the rest of the stator to completely seal the field and armature windings from the surrounding atmosphere. In Figs. 5 and 6 the covering material is shown at 112. This material is preferably epoxy or another material customary for such purposes.
The material can be attached to the stator using a mold, in which case the coating material is poured around the various parts of the stator. Alternatively, the stator can be immersed in a bath of coating material.
After the casting or dipping process, any material adhering to the end faces 88 of the poles 84 must be removed in order to avoid colliding with the rotor poles 44. Likewise, any coating material adhering to the bore 56 must be removed in order to avoid disturbing the rotor hub 22. Since the generator has no moving contacts, the coating material surrounds all current-carrying elements and thereby ensures a higher degree of watertightness than is generally achievable with other elec tric generators.
The rotor 12 can optionally also be provided with a coating to prevent it from locking; However, since the rotor does not carry any live elements, this is not necessary to ensure complete and effective water safety of the generator.