NO310389B1 - Fremgangsmåte og fremstilling av en elektromagnetisk transduktor - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår, slik tittelen tilsier, en elektromagnetisk transduktor, nærmere bestemt en lettvekts, elektromagnetisk høyeffekttransduktc.r som er anvendelig som motor, omformer eller generator.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for å konstruere en elektromagnetisk transduktor, og nærmere bestemt en fremgangsmåte for å fremstille armaturen eller statoren i en transduktor som er innrettet for anvendelse som motor, omformer eller generator.

Oppfinnelsens bakgrunn

Elektromagnetiske transduktorer er kjent for anvendelse både for omvandling av ei.. <:->r<:>sk energi til mekanisk energi og omvandling av mekanisk energi til cic-kirisk energi, i be<^e tilfeller skjer effektomvandlingen som følge av relativ bevegelse mellom felter, hvilket er velkjent, for eksempel ved anvendelse av slike fenomener for motorer, omformere og generatorer.

Selv om det er velkjent at innretninger i form av en motor, en omformer eller en generator kan konstrueres i ganske lett utførelse, og selv om i det minste noen av slike lette innretninger også kan operere ved store hastigheter, har slike innretninger ikke hittil vært i stand til å arbeide ved store hastigheter og samtidig avgi eller håndtere store effekter. For eksempel kjennes ytelsesforhold på omkring 1,2 HK/kg for intermitterende drift, men slike hwetninger er da ikke i stand til å arbeide kontinuerlig ved så store ytelsesforhold som 2 HK/kg og over dette.

Kjente elektromagnetiske transdulctoirnnretninger har heller ikke vært i stand til å kombinere store hastigheter og store dreiemomenter og/eller har ikke vist seg å ha tilstrekkelig god virkningsgrad under drift. Dessuten er det slik at tidligere kjente skallkonstruksjoner for transduktorer ikke samtidig har hatt fordelte ledere med innskutte, tilsvarende fordelte faserelaterte fluksledeelementer i armaturen og har derfor vært begrenset til lavere hastigheter, som, selv ved større dreiemomenter fører til lav ytelsesfaktor.

Videre er det velkjent at en elektromagnetisk transduktor kan omfatte en stator og en rotor, og at en slik anordning kan omfatte posisjonsbestemmende magnetelementer på rotoren (se for eksempel patentene US 3 663 850, 3 858 071 og 4 451 749) såvel som på statoren (se for eksempel US 3 102 964, 3 312 846, 3 602 749, 3 729 642 og 4 114 057). Det har derfor hittil vært foreslått at man kunne benytte et dobbelt sett polstykker (se for eksempel US 4 517 484).

I tillegg har man foreslått en skallrotortype (se for eksempel US 295 368, 3 845 338 og 4 398 167), og en dobbelt skallformet rotoranordning (se for eksempel US 3 134 037).

Det er også tidligere foreslått at en bunt tråder eller ledere kan bemttes i stedet for en enkelt leder i armatursammenstillingen i en motor (se for eksempel US 497 001, 1 227 185, 3 014 139, 3 128 402, 3 538 364 og 4 321 494 såvel som GB 9 557), idet lederne spesifiseres for både høy spenning og sterk strøm og/eller for reduksjon av strømtapene, særlig den som skyldes fortrengningsvirkningen, og oppvarming som følge av virvelstrømmer, idet slike ledere har vært benyttet sammen med massive og/eller laminerte kjerner (se for eksempel US 3 014 128 402 og GB 9 557).

Fra EP 52346 er kjent å bruke viklingselementer som samvirker med permanentmagneter, og tilsvarende er også vist i EP 94978. Fra vårt eget patentskrift EP 230 639 angir bakgrunnsteknikken ved å beskrive en elektromagnetisk transduktor med armatui-viklinger og en rekke, fluksledeelementer for å lede den magnetiske fluks mellom disse viklingers enkelte ledere idet fluksledeelementene særlig er av et materiale med stor magnetisk permeabilitet. For eksempel kan materialet være isolerte små jernpulverpartikler som er sammenpresset for å danne en kompakt masse.

Tre US patenter 3 128 402, 2 538 364 og 3 602 749 er allerede beskrevet i dette patentskrift EP 230 639 og omfatter hhv. den armaturstruktur med viklinger og ledende elementer, en rotorkonfigurasjon med en rekke fluksledeelementer og vikletråds-elementer som danner elektriske ledere mellom disse, og rotorkonstruksjon med et større antall magnetkjerner og spolekjerner.

Fra US 4 131 988 kjennes en fremgangsmåte for å fremstille en dynamoelektrisk motor og bl.a. viklingselementer, mens DE 2 824 257 beskriver en fremgangsmåte for å fremstille en konstruksjonsdel til en elektromagnetisk maskin, hvilket del er av sammenpresset jernpulver.

Fra FR 2 036 866 er beskrevet en stator med viklingselementer og elektrisk ledende elementer, og fra FR 2 243 512 er beskrevet en spole som hører til en elektro-dynamisk maskin og en tilsvarende fremgangsmåte for å fremstille den.

Videre viser BE 630 515 en elektrisk motor hvor armaturviklingen har en viklekonfigurasjon som først utformes, hvoretter fluksledeelementer innsettes i åpne hulrom mellom lederne. Fra DE 3 420 995 kjennes en skyvearmatur for en likestrømsmaskin og med en forbedret kommutator, og FR 999 112 viser og beskriver en elektrisk motor hvor viklingene er innesluttet i en magnetisk ledende harpiks.

Endelig er det allerede foreslått at en elektromagnetisk transduktor vil kunne ha ytelsesforhold på opp til omkring 2 HK/kg (se for eksempel US patent 3 275 863). Videre er avkjøling av en motor for å øke effektkapasiteten, ved anvendelse av gass, væske eller en blanding av gass og væske velkjent (se for eksempel US patent 4 128 364).

Selv om forskjellige anordninger av elektromagnetiske transduktorer derfor allerede er foreslått tidligere og/eller benyttet, har man ikke oppnådd å få slike transduktorer helt vellykkede, blant annet fordi de ikke har kunnet håndtere store effekter samtidig med at de har vært lette.

Særlig anføres innenfor den kjente teknikk ikke nødvendigheten av å spre lederne for å kunne tillate høyhastighetsdrift, delvis på grunn av en utbredt oppfatning av at magnetfeltet er meget lite i selve lederne. Med ledere som er bygget opp i henhold til konvensjonell lære har man imidlertid funnet at dreiemomentet ved konstant strøm avtar med økende hastighet, og dette er nettopp det motsatte av det resultat man ønsker, nemlig at dreiemomentet bør holde seg høyt også ved økende hastigheter (hvilket er resultatet som oppnås med den foreliggende oppfinnelse).

Tidligere kjente transduktorer er typisk konstruert slik at de fluksbærende elementer er bygget opp av laminerte pakker av silisiumlegert stål, med grov vikletråd viklet direkte inn i de brede, åpne spalter mellom de enkelte poler i det laminerte jernåk. Kantene eller spissene på de tenner polene danner har i henhold til den kjente teknikk imidlertid ofte forårsaket skade og brudd på vikletråder og ledninger.

Konvensjonelle børstefrie likestrømsmotorer opp til 150 mm i diameter har vanligvis et praktisk maksimum på 36 laminerte jernpoler. For en konvensjonell trefasemotor vil antallet spalter pr. pol følgelig være tre. Slike motorer har kile- eller V-formede spalter (se fig. 31) som dannes mellom de enkelte laminerte poler, med det resultat at viklingens kobbertråder ikke kan anordnes jevnt, hvorved kobberet i enkelte av lederne (vindingene) ikke kommer til å ligge tett inn mot jernpolene. I en konvensjonell 150 mm motor er for eksempel avstanden mellom den kobberleder som ligger lengst fra en jernpol (men likevel innenfor spalten) omkring 4 mm. Den resulterende elektromotoriske kraft (emf) som induseres i viklingens enkelte vindinger er slett ikke jevn. Denne inhomogenitet av den induserte emf krever at man for å holde de sirkulerende strømmer under kontroll må tvinne de enkelte vindinger i viklingen sammen, hvilket fører til at det blir plass til færre vindinger inne i spaltene, mens forholdsvis mer av viklingen blir liggende i vindingenes ende- eller vendeområde, i tillegg til at fremstillingen blir vanskeligere.

Konvensjonelle motorer for høyere spenning krever også vanligvis et stort antall vindinger pr. spalte. Dette gir årsak til øket reaktiv effekt og store, motsatt rettede magnetfelter som igjen gjerne fører til større degradering av ytelsen.

Sammendrag av oppfinnelsen

Denne oppfinnelse tilveiebringer en forbedret elektromagnetisk transduktor som både har lav vekt og gir stor effektomvandling på grunn av dens store ytelsesforhold, og transduktoren er både egnet som motor, omformer og generator med stor virkningsgrad. Oppfinnelsens transduktor er i stand til kontinuerlig drift ved ytelsesforhold over 2,0 HK/kg.

Et stort ytelsesforhold, dvs. forholdet mellom ytelsen uttrykt som effekt, og vekten frembringes ved anvendelsen av en armatursammenstilling med spredt fordelte ledere som hver enkelt er atskilt av likeledes fordelte fluksledeelementer på en slik måte at det tilveiebringes små motsatt rettede induserte strømmer såvel som små virvelstrømmer, for å tillate at transduktoren kan iirbeide med stor virkningsgrad og med et stort dreiemoment under høyhastighets drift.

Siden armaturen beveges i forhold til den sammens ti] i mg com tilveiebringer den magnetiske fluks bygges strømmer (ofte angitt som virvelstrømmer) opp ^ktrisk ledende deler av selve armaturen, og disse strømmer fører til oppvarming og strømioi trenging (genen, i1 'nent som virvelstrøms- eller hysteresetap). Imidlertid gir virvel-strømmene også en annu- "irkning som ikke til nå har vært så mye i fokus, nemlig etablering av et motsatt rettet nia£-?ffelt hvis fluks til enhver tid følger den magnetiske hovedfluks' mønster og gir reduksjon av dreiemomentet, i jo større grad desto større hastiget. Denne reduksjon i effektomvandlingskapasiteten ved større hastigheter vil alltid være til stede, men behøver ikke alltid gi tap som har vært ansett som uaksepterbare, og konvensjonell praksis har derfor ikke gitt grunnlag for å foreslå en spredning av lederne slik det er gjort i oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor.

I samsvar med dette er oppfinnelsens mål å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som er lett i vekt og likevel gir stor effekt slik at transduktoren får stor ytelseseffekt/vekt.

Det er nok et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som kan arbeide ved høy virkningsgrad.

Det er nok et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som er i stand til å kunne anvendes som en meget effektiv motor, omformer eller generator.

Nok et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som er i stand til å kunne arbeide kontinuerlig ved store ytelsesforhold, større enn 2,0 HK/kg.

Det er videre et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som har en armatursammenstilling med fordelte ledere hvis enkelte seksjoner har fluksledeelementer anordnet mellom seg og med lederne og disse elementer utformet og plassert slik at det dannes minimale virvelstrømmer og bare liten dempning av hovedfluksen.

Det er nok et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektromagnetisk transduktor som har en armatursammenstilling med optimal tykkelse, hvilket gir god balanse mellom virkningene av varmeoverføringen til et kjølende medium, varme-produksjon som følge av- motetandsoppvaiming og andre kilder, og generering av dreiemoment.

Med disse og andre mål for øye, hvilke vil være åpenbare for en fagmann ul fra den beskrivelse som nå følger, bygger oppfinnelsen på en ny korisrruksjon, kombinasjon og anordning av delev-sljk det fremgår av beskrivelsen, og hvor oppfinnelsens enkelte trekk fastlegges nærmere i de tilslørende patentkrav. De enkelte variasjoner mellom de beskrevne utførelsesformer inkluderes alle oppfinnelsens ramme og slik denne defineres av kravene.

Det er også et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgai^iTfåte for å koii~' "Tsre en elektromagnetisk transduktor (så som en børsteløs likestrømsmotor; k anvende Konvensjonelle materialer, men hvor transduktoren tillater drift ved store hastigheter, med gou *.< rrkningsgrad og stor ytelse.

Ifølge oppfinnelsen bringes virvelstrøms- og hysteresetapene ned til et minimum ved å anvende en fordelt vikling medren rekke smale spalter, kombinert med høy effekts fluksførende metallelementer innsatt i vMingssammenstillingen, smale magneter og et tilsvarende stort antall poler. Med enkel forsert luftkjøling kan ytelsesforhold på omkring 8 HK/kg oppnås for en motor med 165 mm diameter og 100 mm lengde og med vekt omkring 6,5 kg. Med væske- eller gasskjøling med faseomvandling kan effektforhold eller ytelsesforhold som overstiger 8 HK/kg muliggjøres.

Armaturen eller statoren av denne børsteløse permanentmagnetmotor for likestrøm er den komponent som særlig gir motoren de enestående spesifikasjoner.

Et første nytt trekk ved denne armatur eller stator er den integrerte flukspol som holder den radiale feltstyrke ved et høyt nivå. Flukspolen består av isolert finkornet jern som er presset sammen. For å holde god isolasjon og unngå at de enkelte partikler smelter sammen er ikke flukspolene sintret, hvilket er vanlig i andre anvendelser. Siden polene ikke er sintret blir den mekaniske styrke liten. Trekket med at partiklene er isolert fra hverandre holder virvelstrømstapene lave i et magnetisk vekselfelt slik som det som frembringes av rotoren. Flukspolene får et ytterligere isolasjonslag rundt ytterflaten for konstruksjonsmessig støtte og motstandsdyktighet overfor avskraping av ledningene, hvilket ellers vil kunne føre til overledning og kortslutninger.

Et annet nytt trekk er den fordelte vikling som danner mange vindinger i armaturspolen og fordeler strømmen jevnt mellom hver enkelt leder. Dette reduserer strømfor-trengningsvirkningen og de tap som skyldes denne når strømmen er stor så som under belastning. Ledningene i parallell gir samlet en lav motstand. Denne lave motstand av lederne reduserer effekttapet RI<2> som på sin side vil gi årsak til egenoppvarming, og den komplette leder vil likevel være lett bøyelig, hvilket letter fremstillingen. Stivheten av den totale lednings- eller trådbunt vil faktisk bare være ubetydelig større enn stivheten av hver enkelt leder i bunten.

Et annet nytt trekk ved armaturen eller statoren er den bølgemessig fordelte vikling av lederen slik at hver vinding koples effektivt til hver magnetisk pol. I en foretrukket utførelsesform er det 24 magnetpoler og seks vindinger, med hver bunt plassert i 24 spalter. Vindingene spenner over mellom hver sjette spalte. Endesløyfene som ikke ligger i fluksfeltet er korte. Disse faktorer øker virkningsgraden og holder vekten nede.

I denne foretrukne utførelsesform ulgj s.".seks vindinger den fortløpende beviklede stator. En elektrisk konfigurasjon Y for trefasedrift tillater tc v:r ;Un,eer pr. pol eller ben,

disse to spoler er koplet eksternt til armaturen i serie for stort dreiemoment, eller i pai - for stor hastighet. Y-konfigurasjonen gir større virkningsgrad enn -ien tilsvarende ?'onfigurasjon ved at ingen sirkulerende strømmer tillates. De seks vindinger går innmir-om i statorer som har én, to, tre eller fire vindinger pr. spalte, i avhengighet av spennings- og strømkrav.

Armaturen eller statoren ifølge den foretrukne utførelsesform har 144 flukselementer i form av polstykker og 144 mellomliggende spalter med to vindinger pr. spalte. Som sett fra armaturen eller statoren har det roterende magnetiske felt 12 polpar.

Tre Halleffektbrytere som styres av en magnetring tilordnet hovedfeltet regulerer den elektriske kommutering. Ved et vilkårlig tidspunkt har to rekker av vindinger positivt rettet strøm, mens to vindinger har negativt rettet strøm. To av de seks vindinger er alltid strømløse ved et gitt tidspunkt. I den trefasede Y-kopling vil det gå strøm i 2/3 av kobberlederne, hvilket gir en effektiv utnyttelse av kobberarealet. Dette betyr at hvert ben av den trefasede Y-kopling mottar en pulserende strøm slik at det for en periode (1/12 av en rotoromdreining) foreligger en positiv strøm i 1/3 av tiden, mens strømmen er null i 1/6 av tiden og negativ i 2/3 av tiden, deretter er strømmen igjen null 1/6 av denne periode. Den sekvens som hvert ben av Y-koplingen mottar strøm i bestemmer rotasjonsretningen. Amplituden av strømpulsen bestemmer motorens dreiemoment.

Armaturen eller statoren ifølge den foretrukne utførelsesform er en skallkonstruksjon med tykkelse mellom omkring 6,3 og 9 mm. Konstruksjonen er festet til en fast endeplate og må kunne motstå det dreiemoment som frembringes, såvel som varmen fra varmetapene i viklingene og flukspolene. Det bør derfor være en elektrisk ikke-ledende sammenstilling. Av denne grunn er armatur- eller statorsammenstillingen fortrinnsvis bygget opp av glassfiberforsterket støpt epoksyharpiks. Dette støpemateriale gir god motstandsdyktighet for temperaturer på opp til 180°C, og luftgapet mellom rotoren og statoren gir i tillegg en luftstrømningsbane for avkjøling av begge komponenter.

Oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for å fremstille en armatur for en elektromagnetisk transduktor, karakterisert ved a) fremstilling av en armaturvikling av vikletråd og med en konfigurasjon som innebærer en rekke frie hulrom, og b) innføring

av vekke fluksi^ieelementer i hulrommene.

Oppfinnelsen gjelder videre en fremgangsmåte for å fremstille en armatur for en elektromagnetisk transduktor, karakterisert ved a) fremstilling av en rekke Torhåndsformede separate, langstrakte fluksledeelementer av et materiale med stor magnetisk permeabilitet, b) fremstilling av et antall n vindinger, hver med en bestemt total trådlengde og bygget, opp a<y> en rekke hovedsakelig parallelle ledere i form av tråder, c) vikling av de n vindinger for å frambringe en fordelt viklestruktur med en rekke langstrakte frie hulrom, d) innføring av de forhåndsfremstilte fluksledeelementer i de åpne hulrom i forholdet 1:1 slik at ett fluksledeelementer opptas i ett åpent hulrom for å tilveiebringe en vikling/elementsammenstilling, og e) påføring av et binde ; ■-ateriale rundt sii:rmenstillingen for å tilveiebringe en stivt oppbygget konstruksjon.

bia den kjente teknikk kjennes ikke noen måte hvor først en viklingssammenstilling er fremstilt hvoretter spesielle fluksledeelementer er ført inn i åpne rom i viklingen eiier viklingssammenstillingen. Den kjente teknikk anviser bare hvordan man først kan fremstille en oppspaltet jernkonstruksjon i form av sammenmonterte laminatjernplater slik at det dannes tannformede poler mellom de enkelte spalter og med polene eller "tennene" som de egentlige fluksledeelementer. Vikletråden som danner viklingen blir deretter viklet i spaltene i den oppspaltede laminatkonstruksjon. Den ene gjenstand ifølge oppfinnelsen revolusjonerer i så måte teknikkens stilling med hensyn til armaturoppbygging ved at sammenstillingsprosessen på en måte reverseres, idet man først fremstiller en armaturvikling med en rekke åpne hulrom og deretter fører inn et tilsvarende antall fluksledeelementer i hulrommene.

Kort gjennomgåelse av tegnin<g>ene

De mål som er nevnt ovenfor og fordeler og ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil lettere forstås ut fra den nå følgende beskrivelse som bør leses i sammenheng med studie av de tilhørende tegninger.

Tegningene illustrerer fullstendige utførelsesformer av oppfinnelsen i henhold til den beste måte å utføre oppfinnelsen på i praksis, i alle fall så langt man nå kan se, og tegningene viser følgende: Fig. 1 viser i fraskilt isometrisk projeksjon en roterbar utførelse av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor, fig. 2 viser den sammenmonterte elektromagnetiske transduktor i henhold til fig. 1 i oppriss, med tillegg av ytterligere elementer som er illustrert i blokkform for bedre å illustrere oppfinnelsen, fig. 3 viser i delvis isometrisk projeksjon anvendelsen av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor i form av en trekkmotor for å drive et hjul tilhørende et kjøretøy, fig. 4 viser i isometrisk projeksjon et utsnitt av hvordan de fordelte ledere og de fluksledende elementer kan være anordnet i en elektromagnetisk transduktor slik som den vist på fig. 1 og 2, fig. 5 viser skjematisk hvordan en tolags vikling kan utfonn.es med fordelte ledere og innlagte fluksledeelementer mellom viklingenes enkelte vindinger, fig. 6 viser et utsnitt av transduktoren på fig. 2, sett mot snittplanet 6-6 og hvor utsnittet også illustrerer transduktorens magnetflukslinjer, fig. 7 viser et tilsvarende utsnitt som fig. 6, nå av en .alternativ utførelsesform av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor, 8 viser et tilsvarende utsnitt som fig. 6, nå av en annen utførelse av oppfinnelsens transduktor, fig 9 viser også et tilsvarende utsnitt, nå av nok en variant ifølge oppfinnelsen, fig. 10 viser et utsnitt av ytterligere en variant * oppfinnelsens transduktor, flg. 11 viser i tverrsnitt en fordelt leder slik som i henhold til fig. 4 og irM isolasjon utenpå, fig. 12 viser en annen variant av en isolert leder, tilsvarende den vist på iig. > 1, men hvor lederen nå har et belegg av fluksledende element (jern) utenpå i stedet for at disse elementer er anordnet diskret som vist på fig. 4-10, fig. 13 viser et tilsvarende tverrsnitt av en leder ;lik som på fig. 11 og 12, men nå av en variant hvor den først isolerte leder har et belegg utenpå av fluksledende element (jern) på en litt annen måte enn i henhold til fig. 12, fig. 14 viser et utsnitt som illustrerer anvendelsen av en lederutførelse i henhold til enten fig. 12 eller 13 som armaturleder uten anvendelse av ytterligere separate fluksledeelementer, fig. 15 viser et utsnitt tilsvarende fig. 14, nå av en alternativ seksjonsoppdelt del med fordelte ledere og tilsvarende fordelte, belagte ledere så som de vist på fig. 12 eller 13, fig. 16 viser et delvis lengdesnitt gjennom en alternativ utførelsesform av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor slik den fremgår av fig. 2, og figuren viser hvordan armaturen er festet til en aksel slik det kan være hensiktsmessig for en kommutatortransduktor med børstedrift, fig. 17 viser atskilt de enkelte elementer i en alternativ utførelsesform av en transduktor ifølge oppfinnelsen i sylindrisk, lineærsymmetrisk utførelse, fig. 18 viser et tilsvarende oversiktsbilde av en plan, lineær utførelsesform av en elektromagnetisk transduktor ifølge oppfinnelsen, fig. 19 viser et diagram over forholdet mellom dreiemoment og hastighet for en konvensjonell transduktor (linje b) og for en transduktor ifølge oppfinnelsen (linje a), fig. 20 viser et diagram over de totale tap (virvelstrøms- eller hysteresetap, strømfortrengningstap og viklingsmotstandstap) ved forskjellige turtall av en utførelsesform av en transduktor ifølge oppfinnelsen, fig. 21 viser et par fluksledeelementer ifølge oppfinnelsen, fig. 22 viser en viklingsdor ifølge oppfinnelsen, fig. 23 viser et uttakbart blad for anvendelse med doren ifølge fig. 22, fig. 24 viser en vikledor anordnet på en montasjebrakett og en komplettert armaturutførelse viklet på doren, fig. 25 og 26 viser endehetter for vikledoren, fig. 27 viser vikledoren i perspektiv, fig. 28 viser en skjematisk oversikt over hvordan armaturviklingen utføres i henhold til oppfinnelsen, fig. 29 og 30 viser ytterligere oversikter hvordan armaturviklingen utføres ifølge oppfinnelsen, under de enkelte oppbyggingsfaser, og fig. 31 viser et konvensjonelt jernåk for en stator med laminert oppbygging og innoverrettede poler og mellomrom.

Nærmere beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer

En ny elektromagnetisk transduktor er særlig beskrevet herved, det innbefattes alternative utførelsesformer av transduktoren. Det menes å påvises at oppfinnelsens elektromagnetiske transduktorer kan benyttes både som motor (veksel- eller likestrøms), en omformer/omvandler eller en generator, i avhengighet av om et eieki» signal tilføres arma* uren (vanligvis via en kommutator eller en tilsvarende konstruksjons-oppbygging) for å frembnnge m kraft som bevirker bevegelse av den konstruksjonsdel som frembringer den magnetiske fluks, .; forhold til armaturen for så å drive en aksel, eller om akselen dreies som følge av kraftpåtryKlc ^or derved å bevirke bevegelse av den konstruksjonsdel som frembringer den magnetiske fluks, i forhold til armaturen, hvorved det genereres en elektromotorisk kraft som på sin side kan sette strøm i armaturens ledere når disse tilkoples en belastning. Dette tør være vel kjent.

En elektromagnetisk transduktor 35, slik den best er vist på fig. 1 og 2, har lett vekt og er likevel i stand til å frembringe eller arbeide under stor effekt, og en slik transduktor kan derved klassifiseres som en maskin eller innretning med stort forhold ytelse/vekt. En transduktor av denne type vil være særlig godt egnet for anvendelse sammen med selvgående kjøretøyer, så som biler beregnet for passasjertransport, selv om oppfinnelsen egentlig ikke er ment å være begrenset til slike anvendelser.

Når anvendt for fremdrift av kjøretøyer kan en permanentmagnetisk, hul og sylindrisk elektromagnetisk transduktor 35 benyttes som en effektiv hjulmontert trekkmotor og kan, slik det er indikert på fig. 3 monteres direkte på et hjul 37 nær dettes aksel 39, idet kraftoverføringen fortrinnsvis frembringes via et reduksjonsgir 41.

Som vist på fig. 1 og 2 omfatter den elektromagnetiske transduktor 35 et ytre sylindrisk hus 43 med en endeplate 45, 46 i hver ende, henholdsvis i front og bak, disse endeplater er holdt på plass ved hjelp av en fremre og en bakre låsering 48 hhv. 49.

Transduktorens aksel 51 har en sentral del 52 som strekker seg gjennom det sylindriske hus og slik at selve akselen er lagret i sentrale nav 54 hhv. 55 i endeplatene 45 hhv 46, i lagre 57 hhv. 58, slik at den sentrale del av akselen blir liggende koaksialt inne i det sylindriske hus. Akselen har i sin bakre ende et parti 60 med redusert diameter for innpassing i lageret 58, og tilsvarende har akselen på frontsiden et parti 62 med redusert diameter, idet dette parti av akselen strekker seg ut gjennom endeplaten 45 i fronten og dettes lager 57 i et tilsvarende sentralt nav 54 og med en utenforliggende pakning 64 som ligger inn mot lageret 57.

Fig. 5 viser videre en vifte 65 anordnet nær den bakre endeplate 46, idet platen har en eksentrisk anordnet luftinntaksåpning 66 og flere luftutslippsåpninger 67 anordnet langs og nær inntil endeplatens omkrets. Når transduktoren er i bruk kan den arbeide i gass (luft) (i motsetning til et fluidmedium som kunne inneholde olje eller liknende, for eksempel, hvilket kan være tilfelle for enkelte kjente transduktorer). I tillegg er det anordnet en bueformet åpning 68 for å tillate gjennomføring av ledninger gjennom endeplaten 46 til transduktorens armatur.

Fig. 2 viser også hvordan transduktorens rotor 70 er bygget opp som et dobbelt skall med en indre og en ytre sylindrisk vegg 72 og 73 anordnei i en, bestemt avstand fra hverandre og normalt ragende fra en indre del 75 slik at de sylindriske vegger 72 og 73 kommer til å ligge koaksiale med og på innsiden av det sylindriske hus 43 og mellom seg danne et ringromformet område som her skal kalles en spalte 72A. Den indre del 75 har en ringformet innerste basis 77 som oiu: ; urter et kileparti 78 av akselen 51, like innenfor lageret 57.

Den innerste sylindriske vegg 72 av rotoren 70 har påmonterte magnetiske elementer 80, i det viste tilfelle er disse permanentmagneter (også elektromagneter vil kunne benyttes om ønskelig). De sylindriske vegger 72 og 73 er fremsuii av magnetisk materiale med stor relativ permeabilitet og lav hysterese (så som jern eller stål, for eksempei), mens den indre del 75 er utført av umagnetisk materiale (så som plast eller aluminium, for eksempel). De magnetiske elementer 80 er i dette tilfelle permanentmagneter med stor magnetstyrke, fortrinnsvis fremstilt av materialet neodym-jern-bor (NdFeB), men disse elementer kan også være utført av barium-ferritt-kerarnikk (BaFe-keramikk), samariumkobolt (SmCo), eller liknende.

Armaturen 82 består av et annulært (sylinderskall-) formet element som i det minste delvis er anordnet innenfor spalten 72A og er festet i forhold til huset 43, montert på dettes bakre endeplate 46, slik det fremgår av fig. 2. Derved kan rotoren 70 dreie forhold til armaturen 82 (såvel som til huset 43). Armaturen 82 er følgelig et stasjonært sylinderskallformet element som strekker seg over hele det sylindriske hus' 43 lengde mellom dettes indre og ytre sylindriske vegger 72 og 73 av rotoren.

Det er viktig for oppfinnelsen at armaturen 82 omfatter fordelte ledere 84, best vist på fig. 4 og hvis enkelte deler eller lederseksjoner 85 er anordnet mellom det som her er kalt fluksledeelementer 86, best vist på fig. 6. På denne tegning er disse fluksledeelementer 86 vist med sin respektive første og andre endeflate 86B hhv. 86C. Lederne 84 (gjerne i form av isolert vikletråd) har bestemte aktive områder 84A som ligger i en viss avstand fra hverandre, slik som vist på fig. 4 og 5. Som vist på fig. 6 har de aktive områder 84A tilnærmet rektangulær tverrsnittsform. Mellom de aktive områder 84A ligger flere avgrensede, langstrakte åpne eller frie rom 86A (se fig. 5 og 6). En fluks-eller magnetfeltleder (med dette forstås et element som har lav magnetisk motstand eller reluktans) dannet av en rekke fluksledeelementer 86 av sammenpresset eller -heftet jernpulver er lagt inn i de frie rom 86A mellom de aktive områder 84A. De fordelte ledere 84 danner armaturspoler av vikletråd 87 av kobber og med relativt liten enkeltdiameter, og hver spoles enlelte vindinger er isolert med et isolasjonslag 88 av egnet materiale (hvilket fremgår av fig. 11). Lederne 84 er viklet fortløpende forskjøvet slik det er indikert på fig. 5, og med motsatte ender av hver armaturspole forbundet med tilkoplingsledere 89 som strekker seg gjennom den buede åpning 68 i endeplaten 46, slik det fremgår av fig. 2.

Lederne 84 som danner vindingene, slik de er best vist på fig. 4 er tilformet og ført gjennom armaturen (for eksempel ved ringvikling), og hver vinding i armatorspolen har t- t innskutt fluksledeelement 86 slik som vist på fig. 5 og 6 som viser en typisk I-t- -*Vh'ng med strukturelt i^egrerte annulære vindinger ifølge det viklingsskjema som i planet fremgår av fig. 5.

Fluksledeelementene 86 er lu.v-^nsvis av jern (i det minste delvis) og strekker seg over vindingenes eller ledernes aktive områuc °AA. Utenfor dette aktive område, i begge områdets ender, fortsetter de i et endesegment S ;R og binder dermed vindingene sammen, f.eks. i et hensiktsmessig mønster som den bølgevikling som er vist som et eksempel på fig. 5. Fluksledeelementene 86 er fortrinnsvis fasespredende elementer for å kunne oppta relativt høyfrekvente magnetiske feltvekslinger med tilhørende lave induserte motsatt rettede elektriske strømmer og med lave virvelstrømstap. Siden jern er elektrisk ledende må det være finfordelt for å unngå (eller i det minste redusere til et minimum) dannelsen av motsatt rettede induserte elektriske strømmer. Man har funnet at et passende fluksledeelement 86 kan fremstilles ved sammenpressing eller -hefting av fint jernpulver med partikkelstørrelse mellom 10 og 100 p:m og på forhånd reaktivt belagt med fosfatisolasjon og ved anvendelse av en såkalt B-trinns harpiks som, hvilket skulle være velkjent, er en delvis herdet harpiks som fremdeles er termoplastisk ved anvendelsestidspunktet, og hvor det i tillegg benyttes voks som bindemiddel.

Ved å bruke ledere som er bygget opp av en rekke enkelttråder med liten diameter og med fasefordelende fluksledeelementer innskutt mellom trådene reduseres de motsatt rettede induserte strømmer i tilstrekkelig grad til at den elektromagnetiske transduktor ifølge oppfinnelsen kan arbeide ved store hastigheter og ved store dreiemomenter, med stor virkningsgrad. I en praktisk utførelsesform er transduktoren bygget opp med en stator eller stasjonær armatur med skallform og med viklinger av kobbertråder med innskutte kompakte jernskinner eller -lister for å lede den magnetiske fluks, og denne transduktormaskin har deretter viklingene impregnert med glassfiberforsterket harpiks-isolasjonsmateriale som blir støpt som et herdemiddel ved 180°C og trenger inn gjennom de enkelte viklinger og vikletråder og skinnene eller listene, og en slik transduktormaskin har vist seg å være meget gunstig i drift.

Når oppfinnelsens transduktor benyttes som en motor ved konstant påtrykt strøm har man funnet at motorens dreiemoment kan holdes tilnærmet konstant som funksjon av rotorhastigheten eller -turtallet, dette fremgår av diagrammet på fig. 19, linje a. Dette er bemerkelsesverdig i forhold til teknikkens stilling som tilsier at tendensen er redusert dreiemoment etter hvert som turtallet øker når massive skinner brukes som både ledere og fluksledeelementer, dette fremgår av linje b på fig. 19. Kombinasjonen av stort dreiemoment og store hastigheter gjøres mulig i oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor og gir en meget kompakt maskin, dvs. en transduktor med stor effekttetthet.

Fra fig. 6 fremgår at armaturen 82 (bygget opp av de fordelte ledere 84 og fluksledeelementene 86) ligger nær både de magnetiske elementer 80 som er anordnet rundt den indre sylindriske vegg 72 og den ytre sylindriske vegg 73, idet tus..- tr vegger 72 og 75 henholdsvis den indre og den ytre returvei for den magnetiske fluks. Enkelte typiske fluksbanc.» er illustrert på fig. 6 med stiplede linjer. Som vist danner fluksbanene lukkede sløyfer som :>"?r enkelt trenger gjennom armaturen på to steder og hovedsakelig går gjennom fluksledeelementene 86, siden disse fremviser minst magnetisk motstand. Fluksledeelementene tillater al f så at armaturen får bredt magnetisk tverrsnitt, hvilket gir et kraftig magnetisk felt og følgelig ei stort dreiemoment. Fig. 7 viser hvordan den elektromagnetiske transduktor også kan være bygget opp ved å plassere magnetelementer 80 på ytterveggen 73 (i stedet for på innerveggen 72). Fig. 8 viser at transduktoren også kan bygges opp ved å plassere magnetelementer 80 på både den indre og den ytre sylindriske vegg 72 hhv. 73. Fig. 9 viser et utsnitt av armaturen 82 på en annen transduktor hvor selve armaturen ligger på begge sider av magnetelementer 80. I tillegg kan det også være anordnet, uten at dette er vist på tegningen, at den elektromagnetiske transduktor kan være bygget opp ved å plassere ytterligere lag av armatur-rotorelementer radialt innover og/eller utover i forhold til det som er vist på tegningene. Selv om fluksledeelementene 86 i en slik utførelsesform av transduktoren har rektangulært tverrsnitt kan de også tenkes å være utført ikke-rektangulære, for eksempel som det l-formede element 91 som er vist på fig. 10 og som har fordelte ledere 84 anordnet inntil seg.

Armaturen kan også være utført slik som vist på fig. 12, ved at et fluksledeelement 93 er bygget opp med et belegg av høypermeabelt magnetisk materiale (så som jern) utenpå en del av eller hele den enkelte leder 94. Fig. 13 viser at en leder 94 også kan ha et isolerende lag 95 utenpå slik at dette lag blir liggende mellom lederen og fluksledeelementet. I begge tilfeller vil et isolerende lag 96 dekke fluksledeelementet (hvis det naturligvis ikke selv er elektrisk isolerende).

Når fluksledeelementene er utformet som belegg utenpå de enkelte og fordelte ledere (slik som vist på fig. 12 og 13) behøver man ikke benytte fluksledende skinner eller lister (slik som de vist på fig. 4-10). De enkelte, fordelte ledere 94 med de pålagte fluksledeelementer kan benyttes som eneste armaturelementer (slik som indikert på fig. 14) eller alterneres med fordelte lederseksjoner eller -deler 85, dvs. enkeltvis fordelte ledere som ikke har noe fluksledeelementbelegg pålagt (som indikert på fig. 15). Jernpulver benyttet som fluksledeelementer 86 (som indikert på fig. 6) gir tredimensjonal fasefordeling, mens fluksledeelementer 93 som er belagt utenpå de enkeltvis fordeite ledere (som indikert på fig. 12 og 13) gir todimensjonal fasefordeling (mens laminert utformede jernskinner eller -lister på den annen side og når benyttet som fluksledeelementer bare gir éndirnensjonal fasefordeling).

Oppfinnelsens elektromagnetiske .transduktor omfatter følgelig en magnetfluks-frembringende sammenstilling (med minst ett poipar som kan være utført ved å bruke permanentmagneter eller elektromagneter), og en armatursairiinc -jstiU^ng (som magnetfeltet fra magnetflukssammenstillingen må passere og som er bygget opp <p>n vekselvis struVtur av ledende vikletråder og fluksledeelementer, idet disse kan regnes med til armaturens jur-); En vikling kan benyttes som hovedkomponenten i armaturen og bestående av vindinger av c; kelte ledere (som her benevnes fordelte ledere), med anvendelse av fordelte ledere av tynne • ikletråder, hvorved store omdreiningshastigheter av transduktorens eller maskinens rotor kan tillates når viklingene inngår i en sammenstilling sammen med de fasefordelende fluksledeelementer.

Anvendelsen av flere parallelle og enkeltvis isolerte ledere for å redusere varmetapene ved større strømmer har hittil blitt foreslått (se for eksempel US patent 497 001) og det er velkjent innenfor motorteknologien som en måte å redusere motorers strømfortrengingstap. Strømfortrengingsvirkningen gir imidlertid bare tap ved belastet strømkretsløp, mens virvelstrømstap vil også erfares når kjente innretninger dreies ved større hastigheter, også når strømkretsene ikke er sluttet via en belastning. Denne forskjell skyldes at virvelstrømmene i seg selv danner lukkede baner i lederne, mens strømfortrengingsvkkningen er relatert til hovedstrømmens fordeling i relativt massive ledere.

Når det gjelder ledere med slike relativt store tverrsnitt eller tilsvarende fluksledeelementer med store tverrsnitt for den magnetiske fluks, slik det ofte forekommer i i det minste noen av de kjente transduktorer eller maskiner, bevirkes et motsatt rettet dreiemoment som virker imot dreiemomentet i rotasjonens retning som følge av at de induserte strømmer i de skinneliknende ledere. Disse strømmer øker ganske raskt når frekvensen av omskiftingene i det magnetiske felt og den magnetiske fluks øker, og de induserte strømmer samvirker på sin side med magnetfeltet slik at dette motsatt rettede dreiemoment oppstår. Av denne grunn er de kjente skalloppbyggede transduktorer i utgangspunktet begrenset til lavere hastigheter som følge av reaksjonsmomentet og kan ikke rotere ved større hastigheter med gunstig ytelse. I motsetning til dette kan oppfinnelsens transduktor eller maskin med hell benyttes for eksempel for trekk- og drivmotorer for de aller fleste praktiske anvendelser.

Anvendt som motor må transduktoren naturligvis ha midler for å fordele (dvs. dreie) magnetfeltet i forhold til armaturen også ved store hastigheter, og disse midler må også være anordnet slik at elektrisk kraft uten for store tap kan omvandles til mekanisk kraft på en måte som tilsvarer det som er kjent fra vanlige motorer. I henhold til fig. 2 kan dette utføres ved å forbinde ledninger 97 mellom de enkelte tilkoplingsledere 89 i armaturen 82 og en enhet 98 som samtidig tjener som strømgenerator eller styreenhet, slik at denne enhet 98 sender strøm inn i lederne 84 slik at rotoren 70 dreies rundt, idet denne dreining på sin side bevirker dreining av akselen 51 for å dreie en last 99.

Når samme maskin benyttes som en omformer eller generator erstattes lasten 99 av en tilsvarende aktuator eller drivenhet som dreier akselen ^r»dt, idet denne på sin s;de dreier rotoren 70 og induserer en spenning over lederne 84, slik at dei. f cr --ri^ees en strøm gpmom dem til enheten 98 som i dette tilfelle virker som en belastning og kan kalles en last. Seiv t> det ikke direkte fremgår av fig. 1-15, er det klart at strømgene-ratoren og styreenheten, ^-es i enheten 98 (eller alternativt armaturen), omfatter nødvendige elektriske kommuterni^-irmretninger, innbefattet slike innretninger hvor kommutering utføres elektronisk (for eksempel så som i en børsteløs likestrømsmotor) såvel som innretninger som benytter likerettere i stedet for vanlig mekanisk kommutering (hvilket ofte anvendes i effektgeneratorer).

Fig. 16 viser en utførelsesform av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor eller maskin, hvor armaturen 82 er forbundet med akselen 51 ved hjelp av en indre del 101, og indre og ytre sylindriske vegger 72 hhv. 73 som er festet til huset 43. I denne utførelsesform danner armaturen følgelig maskinens rotor, med elektrisk kraft overført ved hjelp av børster/sleperinger 102 (børster anvendes da i likestrømsmaskiner, mens sleperinger anvendes i vekselstrømsmaskiner). Den utførelse som er vist på fig. 16 foretrekkes i enkelte anvendelser, særlig når det gjelder likestrøms kommutatormaskiner.

Transduktoren ifølge oppfinnelsen har en vesentlig fordel over en konvensjonell motor ved anvendelse av et minimalt innhold av jern som får fluksreversering. Dette kan nemlig oppnås ved at det bare er jernet i fluksledeelementene i armaturen som får reversert fluks når hver pol passeres, og følgelig far man meget lave hysteresetap. I tillegg reduseres virkningene fra flukslekkasje slik at samtlige armaturviklinger får den totale fluksendring og følgelig inngår i like stor grad ved tilveiebirngelsen av dreiemoment.

Transduktoren ifølge oppfinnelsen har også betydelige fordeler når det gjelder varmeoverføring. Av denne grunn forbedres ytterligere den allerede meget store effekttetthet, nemlig den store ytelse i forhold til maskinens vekt. En tynn armatur gjøres mulig ved at den bygges opp av bare isolerte ledere, med unntak av det volum som er nødvendig for fluksledeelementene. Det er følgelig mulig å gi god kjøling både til de indre og de ytre flater i armaturen. Som følge av prinsippene for varmeoverføring vil varmeakkumuleringen i en armatur, under forutsetning av konstant overflatetemperatur og jevn innvendig oppvarming pr. enhetsvolum være lineært avhengig av kvadratet av armaturens tykkelse. Ved for eksempel sammenlikning mellom en armatur som er 6,3 mm tykk (hvilket er mulig ifølge oppfinnelsen) med' en massiv rotor som har omkring 125 mm diameter (hvilket er vanlig i kjente maskiner eller transduktorer), vil varmeakkumuleringen i en slik kjent maskin kunne bli opp til 400 ganger støne enn det man har oppnådd med transduktoren ifølge oppfinnelsen. Det er følgelig helt klart at oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor kan avgi langt større varmemengde enn noen annen kjent konvensjonell transduktor med tilsvarende effektytelse.

Oppfinnelsens elektromagnetiske iransduktor kan anta forskjellige topologiske varianter basert på en og samme grunnmodell. i tillegg til utførelsen med roterende sylindriske skall som rotor kan orienteringen av magnetelementene og iklingene endres, og motoren kan da bygges opp som en lineærmotor for rettlinjet bevegede Andre vantu/- r (ikke vist) omfatter konisk utførelse og utførelse som en flat palJ--?

(pannekakekon-truksj on).

Fig. 17 illustrerer en lineær resiprokutførelse av oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor, hvor den magneifiuksrfembringende seksjon beveges lineært i forhold til armaturen i en sylindrisk utførelsesform. For å utføre dette er armaturen 105 med de fordelte ledere 106 og fluksledeelementer 107 viklet radialt omkring akselen 51 (i stedet for å strekke seg parallelt med denne slik som i utførelsesformen vist på fig. 1), og rotoren 109 har magneter 110 påmontert, med utstrekning langs omkretsen rundt den indre sylindriske vegg 72 (i stedet for å strekke seg parallelt med akselen 51 som i utførelsesformen vist på fig. 1). Fig. 18 illustrerer en annen lineær utførelse av oppfinnelsens transduktor, og oppbyggingen er her helt plan. Som vist er magneter 113 montert på en plan, nedre returplate 114, armaturen er utrustet med fordelte ledere 116 og fluksledeelementer 117 på samme måte som beskrevet for de andre utførelsesformer, og armaturen er hovedsakelig plan i dette tilfelle, i stedet for sylindrisk som i den foregående. En øvre returplate 118 finnes også, og armaturen 115 kan beveges lineært i forhold til og mellom den nedre og øvre plate 114 og 118 ved hjelp av ruller 120 som er anordnet på kantene av den øvre plate 110 og ruller 121 anordnet i rulleleier 122 (på den nedre plate 114).

Grunnutformingen og geometrien av en prototyptransduktor som er konstruert i henhold til oppfinnelsens prinsipper og basert på datamasldnberegninger er som følger (basert på anvendelse av 24 magneter, ledere eller vikletråder med 0,2 mm diameter, og 144 fluksledeelementer hvis enkelt detaljer skal gjennomgås nærmere i det følgende):

Selve motorberegningene er utført S'ik som skissert nedenfor, og det er bare ubenevnte tall som inngår, disse tall er ikke nødvendigvis knyttet til de metriske dimensjoner som er satt opp i tabellen.

Geometriske parametre

Materialegenskaper Vikleparametre

Magnetfelt

Komponentvekt

Elektriske parametre

Motstand - 0,0027 Q, Motstand pr. fase = 0,004 Q.

Ubelastet turtall = 11164,7 o/min

Dreiemoment ved stillestående rotor (36154 A) = 1644 Ft-lb, dvs. 2229 Nm Antall tråder/ledninger =56 Effektiv lengde = 122 cm

Statorvolum = 127,8 cm<3> Lederstørrelse = 1,37 x 3,18 mm

Beregnet ytelse som funksjon av hastigheten dvs. turtallet:

Under beregningene er magnetfeltene anført i Gauss (B-feltet), og feltstyrken er anført i Ørsted (H-feltet). Videre gjelder følgende liste over parametre:

For fastleggelse av motordreiemomentet ble den elektromagnetiske kraft målt i en aktuell prøve i lineær konfigurasjon tilsvarende det som er vist på fig. 18, tilpasset datamaskinsimulering for rotasjonskonfigurasjon. En strøm på 125 A frembrakte da et dreiemoment på 67,8 Nm.

Det målte magnetfelt (ved anvendelse av keramiske magneter av type B) var 3500 Gauss. Den aktive ledningslengde spente over tre av de fire poler og besto, av tjue strenger eller tråder av kobber, hver med dimensjon 3,8 x 7,9 mm tverrsnitt. Hver av de 3 x 20 = 60 ledere hadde en aktiv lengde på 75 mm. Følgelig ble den totale aktive lederlengde 75 x 60 = 4500 mm (= 4,5 m). Ved å benytte disse verdier kom man frem til en kraft på 220 N. Den målte kraft på 250 N (tilsvarende dreiemomentet 67,8 Nm) er sammenliknbart med den beregnede kraft på 220 N når man tar hensyn til nøyaktigheten under målingen (for eksempel at magnetfeltet ikke er helt jevnt alle steder, og ved at spredefeltvirkninger ikke ble tatt i betraktning).

De målte tap som er bygget opp av virvelstrømstap, hysteresetap og viklingstap i form av strømfortrengning, for en transduktor som er konstruert i henhold til de prinsipper og den beskrivelse som er gjennomgått her, er vist i diagrammet på fig. 20. Den aktuelle motor ytet 16 HK ved 7800 o/min ved de innledende forsøk.

Ut fra det som er gjennomgått ovenfor fremgår at oppfinnelsens elektromagnetiske transduktor følgelig er i stand til å presentere en utgangseffekt/vekt som er større enn 2 HK/kg i et avkjølende gassmedium (ved at luft brukes som kjølemedium), og transduktoren antas faktisk å kunne vise til større ytelse enn 10 HK/kg i bestemte kjølemedia (med dette forhold på omkring fem ut fra beregninger for den ovenfor beskrevne prototypmotor). Det bør videre fremgå av det ovenfor at oppfinnelsen tilbyr en forbedret elektromagnetisk transduktor som både har lett vekt, er kompakt, effektiv-og dessuten inniettel for å kunne levere eller arbeide ved store effektnivåer.

Essensen av den transduktcrteknologi som ligger til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger i anordningen av de mekaniske elementer i en motor slik at kontinuerlig effekttetfhet eller ytelsesforhold som overskrider-8 HK/kg kan nås, selv ved anvendelse av konvensjonelle materialer. Videre har en slik anoidning virkningen av å begrense dreietap som fører til redusert ytelse og virkningsgrad lavere eiii: 90%, dette gjeider over så og si hele transduktorens hastighetsområde og med best virkningsgrad ved store hastigheter, nemlig en virkningsgrad r\ i overkant av 95%. Videre bedrer anordningen av de mekaniske elementer varmetransportevnen fra og gjennom armaturen, i forhold til konvensjonell teknikk.

Nettopp på grunn av de ekstremt store effekttettheter har den foreliggende elektriske transduktor eller maskin mange anvendelser hvor konvensjonelle maskiner ikke vil være særlig effektive i det hele tatt eller rett og slett ikke kan brukes. Slike anvendelser innbefatter de som særlig har stor følsomhet overfor størrelse, vekt og energi virkningsgrad, så som landkjøretøydrivsystemer, marine drivenheter, hjelpekraft-systemer for luftfartøyer, elektromagnetiske aktuatorer og bærbare kraftgeneratorsett. Søkeren kan for eksempel vise til resultater ved innbygging av elektriske drivmotorer i navet på mindre landkjøretøyer, hvor tidligere bare mekaniske eller hydrauliske transmi-sjonssystemer har kunnet anses praktiske.

Den foreliggende oppfinnelse er i stand til å frembringe så store effekt/vektforhold i transduktorene på grunn av følgende to kjensgjerninger: Først og fremst ved effektiv masldnvirkning ved store hastigheter opp til 10 000 o/min, hvorved dreiemoment fra en gitt innretning frembringes ved en bestemt verdi, og

for det andre ved eliminering av de fleste uviktige eller ikke aktive materialer (kobber og jern) i maskinens oppbygging.

Det er viktig å merke seg at i dette tilfelle er virkningsgrad r) og effektfaktor koplet til hverandre. Konvensjonelle motorer har tendens til å være mindre effektive (dvs. at turtallstapene øker) når hastigheten øker. Av denne grunn vil det være en praktisk grense for hvor stor grad av effektvinning man kan oppnå ved å la maskinen løpe fortere.

I sammenlikning oppnår den foreliggende transduktor eller motor større virkningsgrader ved store hastigheter, nettopp ved hjelp av den "fordelte" vikleanordning som gir et samvirke mellom vindinger av tynn vikletråd og kompakte fluksledeelementer. Den fordelte vikling har virkningen av å redusere rotasjonstap, og effekten ut fra en bestemt innretning kan faktisk økes med hastigheten. Samtidig kan totalstørrelse og vekt av innretningen reduseres siden konfigurasjonen av den fordelte vikling forbedrer forholdet mellom aktivt arbeidende og ikke arbeidende materiale.

Følgelig kan det sies at kjernen i den teknologi som ligger til grunn for den foreliggende oppfinnelse er grunngeometrien for armaturviklingen. De' er denne geometri sem bestemmer posisjon og kombinasjon av de mekaniske elementer i transduktoren (dvs. kobb/rspoler, fluksfrembringende elementer, fluksledeelementer og returbaner) på en fullstendig ny og overraskende måte for å kunne oppnå store hastigheter og store effekter med god virkningsgrad over hele hastighetsområdet, men særlig mot dettes øvre ende. Grunnoppbyggingen av disse mekaniske elementer og en beskrivelse av hvordan deres resulterende elektriske karakteristika påvirker motorytelsen vil fremgå av den følgende gjennomgang: Armatur- eller statorsammenstillingen benytter en fordelt vikling som jernpulver-elementer 86 (se fig. 21) er innlagt regelmessig i, og viklingen er holdt sammen med harpiks av epoksytypen, hvilket fører til en stivt oppbygget konstruksjon som kan fremstilles uavhengig som en underenhet og med stor grad av nøyaktighet. Med andre ord er dette en i utgangspunktet produserbar komponent.

Konstruksjonsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, dvs. viklingen av enkelttråder av isolert kobber, til et tynt sylindrisk skall fører til meget korte endeseksjoner med radial tykkelse sammenliknbar med den for viklingens aktive del. Den minimale mengde kobber som følgelig medgår for de passive endesløyfer av viklingen reduserer totalmotstanden vesentlig, og følgelig blir motstandstapene (P = RI<2>) av armaturen redusert, og jevnheten i tykkelse av endesløyfene forenkler installasjonen av viklingen i den endelige sammenstilling.

Konvensjonelle børsteløse likestrømsmotorer opp til ca. 150 mm diameter har et praktisk maksimum på 33 laminerte jempoler. Geometrien ifølge den foreliggende oppfinnelse kan tilpasses helt opp til 144 sammenpressede jernskinner eller -lister (tilsvarende samme antall tannliknende poler).

Det store antall jernskinner (poler) som kan tillates i henhold til den foreliggende oppfinnelse gir et tilsvarende stort antall viklemellomrom eller -spor med liten bredde mellom de enkelte skinner. Dette tillater at antall viklespor pr. pol kan økes til et multiplum av det imnimale antall av tre (for en trefaset børsteløs motor). For et gitt antall poler, for eksempel ti, vil antall spalter pr. pol i en konvensjonell trefasemotor være tre, mens en motor ifølge den foreliggende oppfinnelse ville kunne ha fem ganger så mange, dvs. opp til femten spalter. Derfor vil hver fase av en trefasevikling i henhold til oppfinnelsen kunne oppta fem spalter i stedet for én spalte under hver pol. Dette er det

som går under benevnelsen "fordeling" av viklingen.

Den kileformede eller V-formede fasong av sporene i de laminerte statortyper i konvensjonelle motorer unngås i oppfinnelsens armatur, idet sporene her er hovedsakelig rektangulære. I den armatur som oppfinnelsen angir vil formen av de spor som benyttes stadig nærme seg mer et perfekt rektangel etter hvert som antallet skinner eller lister øker. Denne rektangulære form tillater en mer jevn fordeling av kobbertrådene i spaltene, og derfor tillates også at kobberet kommer til å ligge nærmere jernet. I en konvensjonell motor på for eksempel 150 mm diameter vil avstanden mellom lederen (vindingen) lengst fra polen (men inne i spalten) for eksempel være 4 mm, mens samme avstand ifølge oppfinnelsen kan være så liten som 0,75 mm. Den resulterende elektromotoriske kraft (emf) som induseres i viklingens enkelte vindinger vil derfor være betydelig jevnere fordelt enn i en konvensjonell armaturvikling.

Den jevne fordeling av den elektromotoriske kraft som induseres i den store antall vindinger i viklingene i den foreliggende armatur er viktig på grunn av at dette tillater parallellkopling av enkelttråder i en vikling, og dette bidrar på sin side vesentlig til å redusere sirkulerende strømmer og de tilhørende tap. I konvensjonelle motorer vil den ulike fordeling av den elektromotoriske kraft over viklingene ikke så lett tillate parallellkopling, og sirkulerende strømmer må holdes nede ved andre tiltak så som ved å tvinne sammen enkelttråder inne i viklingen (Litz1 trådviklingsteknikk). Ved å unngå slik sammentvinning kan viklingen ifølge oppfinnelsen oppta mer kobbertråd i spalten (med mindre del av kobberet i endesløyfene) og følgelig bli lettere å fremstille under produksjon.

Et viktig karakteristisk trekk ved den foreliggende transduktor eller motor har med bedringen i ytelse ut fra dens relativt lave armaturreaksjon. Dette uttrykk er definert som den forstyrrelse som vil foregå av et primært magnetfelt ut fra det felt som frembringes når strøm går gjennom motorviklingene.

Det dreiemoment som frembringes av en motor er som kjent proporsjonalt med produktet av magnetfluksen og strømmen. Den typiske virkning av den såkalte armaturreaksjon i en motor er en reduksjon i den effektive magnetfluks etter hvert som strømmen øker, dvs. at den såkalte momentkonstant (dreiemoment/strøm) reduseres etter hvert som strømmen øker. Til sist, ved store strømnivåer vil det motsatte rettede magnetfelt være så sterkt at det faktisk kan avmagnetisere de innlagte permanentmagneter.

Det motsatt rettede magnetfelt i en hvilken som helst motor er proporsjonalt med strømstyrken og antall vindinger i hver av armaturens spalter ( §a NI). Antallet vindinger er kritisk siden den reaktive virkning som frembringes av hver vinding i spalten er additiv. I oppfinnelsens motor er antall vindinger i spalten langt lavere siden man har så vidt mange spalter, og som et resultat av dette vil det motsatt rettede magnetfelt som frembringes være langt mindre enn det man kjenner fra tilsvarende konvensjonelle motorer.

Dette fører på sin side til en betydelig forbedring med hensyn til antall vindinger i hver spalte. I de fleste praktiske utførelsesformer av den foreliggende armatur vil det være lite trolig at antallet vindinger pr. spalte overstiger fire, mens man i en konvensjonell motor med tilsvarende elektriske spesifikasjoner (spenning, strøm, hastighet) må ha så mange vindinger pr. spalte som tolv ciler flere. Det større antall vindinger pr. spalte i den konvensjonelle eller klassiske motor fører derfor til en langt større degradering av effektytelsen, nettopp på grunn av virkningen av armatur-reaksjonen.

Anvendelsen av lynne vikletråder i viklingen fører til en betydelig fremstillingsfordel i forhold til hvis man hadde brukt tykkere tråd. Spolene som viklingen dannes av kan formes langt mer jevnt og entydig hvis tynne tråder brukes, og i oppfinnelsens armatur kan man faktisk bruke vikletråd så tynn som 40 AWG, dvs. ca. 0,08 mm eller mindre, siden spolene ikke behøver vikles direkte inn i spaltene slik som i den konvensjonelle lannneringsvikleteknikk hvor de utoverragende kanter på polene ofte forårsaker viklingsbrudd.

Anvendelsen av tynn tråd reduserer også de tap man kjenner som forckeiningstap, idet disse tap jo er tendensen til at strøm gjennom en leder vil tvinges ut mot lederens overflate etter hvert som strømmens vekselfrekvens øker, og hvis frekvensen blir høy nok vil strømmen bare ligge i lederens overflate og etterlate størstedelen av ledertverrsnittet strømløst og derfor uproduktivt. Ved å benytte en rekke ledere med lite tverrsnitt reduseres naturligvis fortrengnmgsvirkningen betydelig, og kobberet utnyttes bedre, dette er for øvrig kjent som lissetrådsteknikk.

Jerntapene i konvensjonelle konstruksjoner reduseres vanligvis ved å bygge opp de fluksledende elementer av pakker av laminert blikk av silisiumholdig stål. Den foreliggende oppfinnelse oppnår samme resultat ved å benytte finfordelt jern eller sammenpresset jernpulver, i form av smale stenger eller lister og lagt inn i armaturviklingen. Jernpartiklene er behandlet kjemisk for å isolere dem fra hverandre, og derved oppnås tilnærmet samme virkning som ved en laminering av armaturjernet, men ved en betydelig materialbesparelse (også vektbesparelse). En slik anordning er mulig siden konstruksjonen av den aktuelle vikling ikke krever mekanisk støtte av jernet.

De fluksledende elementer 86 i form av skinner eller lister kan ha enkel rektangulær form, I- eller T-form. Disse siste to typer fører til en halvlukket spalteåpning mellom de enkelte skinner, hvilket reduserer reluktansvariasjonen som ellers vil finne sted som følge av vidt åpne spalter og frembringer en mer jevn magnetisk fluksfordeling, hvilket på sin side fører til stillere drift.

Amorfe metaller i form av sammenpressede, eventuelt sintrede pulverskinner kan også benyttes som fluksledeelementer mellom de enkelte spoler. Slike materialer er i stand til å arbeide tilfredsstillende ved større flukstettheter enn alminnelig sammenpresset eller pulverisert jern. Størrelsen av virvelstrømmene og hysteresetapene i amorft metall er også lavere enn både i jernpulver og silisiumjern, og derved bedres totalvirkningsgraden ytterligere.

Den jevne radiale tykkelse av den foreliggende vikleoppbygging tillater anvendelse av to sylindriske magnetrotorer, den ene inni den andre og på hver side av statorviklingcn. Detfe fører til ledning av større magnetfelt gjennom viklingen enn det som kan oppnås i konvensjonelle motorer, og dessuten reduseres eller elimineres faktisk jerntapene i fluksreturveien siden denne returvei dreies rundt sammen med magneten.

Videre tillater det store antall smale spalter i den foreliggende armatur at viklingene kan legges inn med langt snevrere toleranser enn i konvensjonelle konstruksjoner, og dette betyr at de tilsvarende såkalte polbuer kan gjøres kortere, hvilket nettopp tillater anvendelse av et større antall poler. Den direkte fordel av et større polantall er reduksjonen av den såkalte "bakjernbredde", idet kortere polbuer bare krever en mindre mengde jern bak seg for å videreføre magnetfluksen. Det reduserte "bakjern" fører til betydelig lavere motorvekt og treghet. Reduksjonen av denne del av jernmassen er kanskje enkeltvis den aller viktigste faktor for reduksjon av materialmengden og vekten av den foreliggende elektriske transduktor eller motor. I eksempelet med en 150 mm diameters konvensjonell børsteløs motor vil det praktiske maksimale antall poler være ti, mens dette tall kan økes til 24 i den foreliggende konstruksjon.

Ved å bruke korte polbuer som krever mindre plass for "bakjernet" kan høyenergi-magneter (mindre i størrelse) være praktisk å bruke. Den resulterende fordel er en meget stor flukstetthet i luftgapet og langt mindre "bakjern" og vekt.

Driftsfrekvensen gjelder i slike motorer kommuteringsfrekvensen som er lik turtallet (o/min) ganger antallet polpar. For den beskrevne motor som ved hastighet 10 000 o/min (167 o/s) og med 24 magneter (tolv polpar) vil kommuteringsfrekvensen være 2 kHz (167 x 12). Denne driftsfrekvens er fire til fem ganger høyere enn det som gjelder for tilsvarende klassiske motorer ved tilsvarende hastigheter. En slik høy frekvens fører til langt mindre prosentvis overlagrede fluktuasjoner av dreiemomentet (moment-rippel).

I den endelig analyse begrenses ytelsen av en hvilken som helst elektrisk maskin av dens evne til å avgi den frembrakte varme som resultat av tap knyttet til rotasjonen. Den stive armatur ifølge oppfinnelsen kan monteres på et større antall endeplater og stasjonære konstruksjonselementer for å øke varmeledningen fra viklingen, og dessuten bidrar den hulsylindriske oppbygging av armaturen til å øke de overflater som vanne kan ledes fra, også via konveksjon til et luftgap. Den hule oppbygging av viklingen gir også anledning til gasskjøling i langt større grad enn i en konvensjonell laminert oppbygget armaturpakke, for ytterligere å redusere den termiske motstand av armaturviklingen.

Prosessen med å bygge sammen den bølgeviklede eller fordelt viklede stator slik det beskrives her omfatter flere separate operasjoner. Disse innbefatter fabrikasjon av de fluksledende skinner eller lister av jernpulver, avgrading og isolering av skinnene eller listene, bevikling av statoren, avslutning av vindingene, stabilisering av statoren, innføring av fluksledeelementene i form av skinner eller lister, og innstøping av hele statorsammenstillingen.

Ved hjelp av konseptet med den fordelte vikling kan en vinding av tynne vikletråder erstatte en enkelt leder av massivt trådgods. Vikletråden for statorer som bevikles ved hjelp av den beskrevne prosedyre kan ha tykkelse 32 AWG, dvs. ca. 0,2 mm, med et lag polyimid/polyamidisolasjon og en selvklebende såkalt fenoksy ytterisolasjon. Den selvklebende ytre isolasjon varmebehandles for ytterligere styrke før støpingen (varmeherdbar lakk). Isolasjonen er av den type som kan tåle høyeste temperatur og er klassifisert for 200°C. De tynne vikletråder gir langt større fleksibilitet slik som tidligere nevnt, slik at endesløyfene blir liggende tettere sammen og kan holdes korte.

Jernpulverpartikler presses sammen i fluksledeelementet 86 (se fig. 21) etter syrebehandling for at hver enkelt jernpartikkel skal bli elektrisk isolert i forhold til de øvrige partikler. Isolasjon av de enkelte jernpartikler reduserer naturligvis virvelstrøms-tapene når slikt materiale benyttes i et høyfrekvent magnetisk vekselfelt. Fluksledeelementene 86 bør ikke fremvise målbar elektrisk ledningsevne når en prøve utføres med et ohmmeter. Tykkelsen av de enkelte fluksledeelementer 86 kan fortrinnsvis variere mellom 1 og 1,2 mm.

Under fremstillingen av fluksledeelementene 86 helles et tilmålt volum av jernpulvermateriale inn i en støpeform og slik at jempulveret blir jevnt fordelt. En hydraulisk presse som er i stand til å yte ca. 550 MPa presser sammen og forbinder jernpartiklene, og deretter fjernes trykket og den råfremstilte skinne eller list tas ut av støpeformen. Et større antall slike skinner eller lister fremstilles ved å gjenta fremgangsmåten. Hver skinne eller list innpakkes i isolasjonsmateriale så som et papir av typen NOMEX slik at isolasjonen overlapper på den ene side av skinnen eller listen for å danne en isolasjonsskjøt.

Vindinger forberedes ved å bruke vikletråd fra sneller eller tromler i ferdig form. Et større hjul som dreier rundt med nestehaker vikler ut tråden fra snellene, og trådlengden kan innstilles ved posisjonsbestemmelse av nestehakene i forskjellige hullkombinasjoner i hjulet. En teller ved hjulets startpunkt teller antall omdreininger, og for eksempel kan lengden være 3,5 m med 65 tråder (65 vindinger) i hver vinding i en foretrukket utførelsesform. En avtakbar polypropylenspiralomvikling i form av en strømpe eller hylse beskytter vindingene under håndteringen og er ført over tråden mellom nestehakene. Mens trådsløyfen er på hjulet avsettes et klebebåndmerke på midten av vindingssløyfen (motsatt startpunktet), og sløyfens start- eller endepunkt far også et stykke klebebånd på hver side av det kuttested som gjør at trådlengden i en vinding blir de foreskrevne, for eksempel 3,5 m. Trådsløyfen kuttes etter klebing og merking av endene. Seks vindinger benyttes i en stator, slik at hver vinding får et merke som angir sifrene 1-6 (se fig. 28-30) ved hver ende.

Fig. 22-27 viser en oppdelt viklingsdor eller -sylinder 201 for anvendelse med 144 løsbare blader 203 med samme tykkelse og bredde som de skinner som danner fluksledeelementene 86 og innrettet for å føres inn i spaltene 205 i doren 201 under en vinkel på 2,5° (2,5 x 144 r-- 360) langs omkretsen av doren. Bladene far en slik plassering at den ene ende blir ført inn i spalten, mens den andre ende rager ut fra dorens overflate ved hovedsakelig 90° vinkel. Når vindingene sys eller vikles mellom bladene i doren far vindingene den ønskede form, hvilket fremgår nedenfor. Dorens ytterdiameter kommer til å tilsvare statorens innerdiameter. De uttakbare blader 203 har som funksjon å bringe de enkelte tråder i vindingene til riktig posisjon og holde dem fast for den endelige innsetting av skinnene som danner fluksledeelementene. Disse skinner vil derved oppta den plass som først ble opptatt av de uttakbare blader. Bladene er fortrinnsvis utformet av voksimpregnert fenol og motstår fastklebing til trådbelegget under den herdende opp-varmingsperiode.

Som vist på fig. 24 har doren 201 endehetter 209 og 211 anordnet på dorens festebrakett 213 for å tillate at viklingen kan utføres som beskrevet nedenfor.

Viklingen starter ved at vinding 1 føres inn i en av spaltene 207 mellom to naboblader. Midtpunktet på vindingen (markert med klebebånd) starter vikleprosessen med like lengder ragende ut til siden. Den første ledige plass som benyttes blir spalte eller mellomrom 1, ved spalte- eller mellomromnumrene økende i trinn til 144, dvs. med urviserens retning når man ser fra dorens viste venstre side. De resterende vindinger 2-6 passes deretter inn på tilsvarende måte i numerisk rekkefølge i de tilstøtende spalter 2-6 mellom bladene, idet hele tiden vindingens midtpunkt blir satt inn i spalten.

Deretter forskyves de motsatt liggende ender av vindingen 1 under de øvrige vindinger og mot spalte 7. Den høyre ende føres inn i spalte 7 først, mens trådene glattes og frigjøres etter hvert som de føres inn i spalten. Den venstre ende føres deretter inn i samme spalte 7 oppå den tidligere innsatte høyre ende, og trådene glattes likeledes under denne prosess. Bladet 7 (det blad som ligger i spalte 7 på doren) presses fast ned for å holde vinding 1 i spalten. Buntendene strekkes forsiktig, men bestemt for å danne sløyfen mellom spaltene 1 og 7. Denne prosedyre fører til et viklemønster med to vindinger pr. spalte.

Prosessen skissert her gjentas for hver påfølgende vinding, dvs. fra den andre og til og med den sjette vinding, ved hele tiden å bevege buntendene på undersiden av de øvrige tråder før de føres inn i den aktuelle spalte mellom bladene. For riktig fremgangsmåte føres den høyre ende inn i mellomrommet først, og trådene glattes og legges jevnt på hverandre; Hvert blad presses fast inn i den tilhørende spalte for å bringe trådene til riktig posisjon etter at vindingene er ført inn på plass. Trådene strekkes deretter jevnt for å stramme endesløyfene noe.

Ved å gjenta denne prosess vikles vindingene gjennom hele mønsteret frem til spalte 144. Den ene ende av vinding 1 avsluttes i spalte 139 og den andre ende i spalte 1. Dette er illustrert skjematisk på fig. 28 bare for vinding 1. Vindingene 2-6 vikles inn på tilsvarende måte som den som er beskrevet for vinding 1.

Den tildekking som beskytter vindingene fjernes om nødvendig mens vindingene blir innsatt fra høyre side først, og med vindingene holdt strukket slik at endesløyfene blir jevne. Trådene følger i numerisk rekkefølge for denne to vindings armatur- eller statorutførelse. Vindingenes ende som rager ut på venstre side av doren starter i spalte 139. Vinding 1 ligger i denne spalte 139. Vindingnumrene øker gradvis fra 1-6 fra spalte 139 og til spalte 144. Vindingene strekker seg ut på høyre side av spaltene 139-144 og bøyes tilbake og føres inn i spaltene 1-6. Fire klemmer er anordnet på oversiden av bladene i doren og strammes fast til. Den neste operasjon forbereder vindingsendene for avslutning.

I henhold til foretrukne utførelsesformer kan andre statorutførelser være utrustet med fire, tre eller én vinding pr. 144 spalter.

En armatur eller stator som har fire vindinger pr. spalte vikles på samme måte som den som har to vindinger og altså på den måte som er indikert ovenfor, den eneste forskjell er at trådlengdene er dobbelt så store og at trådene går rundt doromkretsen to ganger. En stator med fire vindinger pr. spalte kan også vikles med tolv vindinger på samme måte som statoren gjennomgått ovenfor, og derved forbindes tilstøtende vindinger i samme spalte i serie med hverandre når viklingen er fullstendig.

I en stator som benytter tre vindinger pr. spalte starter viklingen i et punkt på vindingen 1/3 inne fra enden, og en tilsvarende viklefremgangsmåte som for den stator som har to vindinger pr. spalte kan utføres, idet vindingen kommer til å vikles én gang rundt doren. Når viklingen er fullført vil det være nok lengde igjen i vindingen til å fortsette rundt doren en andre gang, imidlertid da bare med den ene ende av vindingen. Den andre gang rundt viklemønsteret vil tilsvare beviklingen av énvindingsstatoren omtalt ovenfor.

Fig. 29 viser en slik énvindingsstator hvor viklingen starter i enden av vindingen i stedet for ved et annet punkt langs trådlengden i vindingen. Dette viklemønster avviker også fra andre viklemønstre ved startspalten for de seks vindinger. Vindingsendene føres inn alternativt i stedet for i nabospalter på doren, og siden bare én vinding føres inn med sin vikletråd i hver spalte for å frembringe en énvindings stator vil det ikke foregå en

fortløpende vikling med overlapping slik som for de andre viklemønstre.

De armatur- eller statorvariasjoner som er beskrevet ovenfor tillater begrenset optimalisering av strøm- og spenningsforløpene for å møte dreiemoment- og hastighets-spesifikasjonene. For å øke denne fleksibilitet kan også de to viklingsbunter som ligger nær hverandre og som normalt er seriekoplet, parallellkoples. Dette koplingsvalg ligger fremdeles innenfor én av de tre fasene av viklingen og ikke mellom fasene. Imidlertid vil en parallellforbindelse av to tilstøtende vindinger gi årsak til sirkulerende strømmer mellom dem siden de induserte spenninger i hver vinding ikke cr identiske. Denne ulikhet skyldes viklingenes forskjellige posisjon i statoren. Av denne grunn må det anordnes en modifikasjon for de viklingsmønstre som er angitt ovenfor, slik at den induserte spenning i hver av vindingene blir identisk. I en slik modifikasjon forskyves avstanden mellom viklingene mellom en kort og en lang innbyrdes avstand i forhold til den regelmessige seksmellomroms avstand. For eksempel blir vinding 1 på fig. 28 viklet i mellomrommet eller spalte 8 i stedet for 7, og vinding 2 blir viklet i mellomrom 7 i stedet for 8. Denne langsgående forslcyvning gjentas inntil viklemønsteret fullføres rundt doren. Betrakter man vinding 1 vil spoleavstanden i virkeligheten veksle mellom 7 og 5 mellomrom i stedet for en gjennomsnittlig avstand på 6 mellomrom slik som vist på fig. 30. Den resulterende induserte spenning mellom endeklemmene av vinding 1 vil fremdeles være den samme som tidligere, men den vil også være den samme som den induserte spenning over den tilstøtende vinding 2. En forskyvning på denne måte kan således eliminere forskjellen i indusert spenning mellom de to tilstøtende vindinger ved kontinuerlig forskyvning av avstanden på en alternativ måte og med bare et mindre prosentvis tap i den endelige spenningsverdi, idet denne mindre spenningsforskjell lett kan kompenseres for ved å øke flukstettheten av magnetene i transduktoren. Dette er en forbedring over alternative viklemåter hvor forskjellig spoler grupperes på bestemte måter for å unngå sirkulerende strømmer, slik det kjennes fra andre transduktorkonstruksjoner.

Den beskrivelse av buntviklingen som er anført ovenfor, hvor spolene forskyves innbyrdes vil kunne gjelde alle de fire mønstre som er beskrevet tidligere.

Omkopling fra serie- til parallellkopling av tilstøtende vindinger kan sikkert utføres utenfor selve motoren/generatoren, i den elektriske krets. Omkoplingen kan finne sted også når transduktoren er i drift. Seriekoplingen gir ekstra dreiemoment ved lavere hastigheter, mens parallellkoplingen gir større driftshastigheter. Den trefasede vikling som er antatt å gjelde for alle de eksempler som er gjennomgått ovenfor er Y-konfigurasjonen, siden A-konfigurasjonen fører til sirkulerende strømmer mellom faser som ikke har identiske induserte spenninger.

Nå følger en beskrivelse av fremgangsmåten for å avslutte de tolv ender i den konfigurasjon som er beskrevet ovenfor og som har seks bunter med to vindinger pr. spalte. Når viklingen er ferdig utført, idet man starter med punkt 1 i spalte 139, tvinnes hver vinding og klebebånd vikles rundt samtlige 12 ender. Deretter kuttes det over-skytende av hver vinding av ca. 20 mm fra klebebåndets kant. Vikletrådisolasjonen skrapes av utenfor klebebåndet eller fjernes ved hjelp av en passende kjemisk oppløsning og renses deretter omhyggelig. Deretter kan klebebåndet fjernes, og ledningene tvinnes sammen, hvoretter de siste ca. 12 mm av vindingen fortinnes med loddetinn. Vindingene utprøves deretter med et strømgjennomgangsmeter for å få sikkerhet for at ingen vinding kortslutter mot en annen.

De fire slangeklemmer e.l. over bladene på statordoren strammes deretter til, og sammenstillingen av dor og viklinger legges inn i en ovn som holder 150°C i én time. Når sammenstillingen på denne måte er "bakt", fjernes klemmene og strammes på nytt. Sammenstillingen tillates så å kjøle ned til nærmere romtemperatur, og deretter tas bladene og statoren ut fra doren.

Armaturen eller statoren tas ut fra vikledoren 201 (etter at bladene først er fjernet og med kontroll av at de ikke fører vindingene ut fra sin plass når bladene trekkes ut fra spaltene). En støpeplugg sprayes med støpefrigjøringsmiddel, og et jevnt lag av glassfibertråd vikles utenpå overflaten av støpepluggen. Deretter træs statoren over denne. De isolerte fluksledeelementer 86 settes omhyggelig inn mellom vindingene og med isolasjonsskjøten alltid orientert i samme retning.

Ytterkonturen av sammenstillingen viklinger/ledeelementer omvikles deretter med en glassfibertråd, idet man passer på å holde et jevnt strekk i denne under omviklingen av statoren. En løs oppbygging av glassfibertråd på den side som vender fra trådendene er å foretrekke for å forsterke denne side av støpen. En ytre støpering anordnes deretter over sammenstillingen, samtidig som man passer på at glassfibertråden ikke forflytter seg når den ytre ring træs over statoren. Ringen strammes langsomt på sammenstillingen støpeplugg/armatur mens man bruker en 0,12 mm messingskive for å fylle ringgapet på innersiden etter hvert som ringen strammes til. Deretter tas skiven ut og ringen forsegles med en strimmel av gummi.

Det bør på nytt kontrolleres av vindingene 1-6 ikke kortslutter hverandre. Støpeendeplater plasseres deretter på støpepluggen og den ytre ringsammenstilling for å forberede støpetrinnet. Nødvendige nipler, gjennomganger og rør festes til støpeformen. Kitt eller sparkel kan benyttes rundt skjøtene etter behov for å terte mot undertrykks-lekkasje.

Det hele som skal støpes inn legges inn i en ovn som kan holde 150°C i én time for forhåndsoppvarming. Deretter tas sammenstillingen ut fra ovnen, og slangen festes til undertrykkspumpen. Støpeprosedyren fortsettes ved hjelp av epoksyharpiks som er forhåndsoppvarmet og blandet like før den skal brukes, hvoretter den helles inn i støpeformen fra dennes topp og tillates å pumpe gjennom denne under undertrykk over omkring 20 sek. Dette tillater en jevn strøm av flytende harpiks og fjerner eventuelle luftbobler i støpen. Undertrykksavsuget fjernes deretter, og den støpte sammenstilling føres igjen inn i ovnen som holder 150°C, denne gang skjer herdingen over 22 timer.

Den støpte og herdede sammenstilling tas deretter ut fra ovnen etter herdeperioden

og tillates å kjøle seg ned i luft til nærmere romtemperatur. Best mulige resultater oppnås hvis den innstøpte gjenstand tas ut av støpeformen mens temperaturen er like over romtemperatur.

Statoren blir støpt med en epoksyharpiks av typen NOVOT AC som har fysiske og temperaturbestandige egenskaper tilsvarende en termoherdende fenol. Tillegg så som glassfiberforsterkning i form av innlagte tråder bedrer de fysiske egenskaper ytterligere.

Claims (17)

1. Fremgangsmåte for å fremstille en armatur (82) for en elektromagnetisk transduktor (35), KARAKTERISERT VED: a) fremstilling av en armaturvikling av ledere (84) av vikletråd (87) og med flere vindinger, slik at det dannes ledersegmenter (84A) for føring gjennom et aktivt armatur-område, og slik at det mellom ledersegmentene (84A) avsettes frie hulrom (86A), idet etterfølgende ledersegmenter (84A) er forbundet med hverandre via et endesegment (84B) i hver ende, b) innføring av fluksledeelementer (86) i hulrommene (86A), idet fluksledeele-mentenes form tilsvarer hulrommenes form, og c) innføring av et bindemateriale rundt den sammenstilling av fluksledeelementene (86) og de tilstøtende ledersegmenter (84A) som fremstilles i trinn a) og b), for å avstive armaturviklingen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at de frie hulrom (86A) og fluksledeelementene (86) som innpasses i dem hovedsakelig er rektangulært prismatiske.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og basert på forhåndsfremstilling av separate, langstrakte fluksledeelementer (86) av et materiale med stor magnetisk permeabilitet, KARAKTERISERT VED at trinn a) omfatter: i) tilvirkning av n (n>0) vindinger av hovedsakelig parallelle ledere (84) av vikletråd (87), hver med en bestemt lengde, og ii) forming av vindingene til fordeling over armaturen (82) og slik at hulrommene (86A) avsettes, og at trinn b) omfatter: innføring av fluksledeelementene (86) i hulrommene i forholdet 1:1, nemlig slik at hvert hulrom opptar ett fluksledeelement.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at formingen av vindingene først utføres så det dannes vindinger med hulrom i det aktive armaturområdet, og at deretter fluksledeelementene føres inn i hvert sitt hulrom.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at antallet vindinger er seks og at antallet langstrakte frie hulrom er 144.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at ledersegmentene (84A) som tilhører samme vinding er forbundet med hverandre via denne vindings endesegmenter (84B).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, KARAKTERISERT VED at hvert ledersegment (84A) i en vinding utgjøres av en enkelt vikletråd i vindingen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, KARAKTERISERT VED at hvert ledersegment (84A) i en vinding utgjøres av to vikletråder i vindingen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, KARAKTERISERT VED at hvert ledersegment (84A) i en vinding utgjøres av tre vikletråder i vindingen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, KARAKTERISERT VED at hvert ledersegment (84A) i en vinding utgjøres av fire vikletråder i vindingen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at avstivningen danner et sylindrisk skall.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at trinn ii) omfatter å vikle n lukkede armaturspoler slik at det dannes en fordelt armaturvikling med tilnærmet sylindrisk skallform og flere langsgående ledersegmenter (84A) i innbyrdes avstand og innskutte hulrom (86A), og at tilstøtende ledersegmenter er forbundet med hverandre.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at fluksledeelementene danner prismeformete skinner eller lister, tilsvarende hulrommenes fonn.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at trinn i) omfatter: 1) oppstilling av en viklekjerne i fonn av et hjul og hvis omkretslengde tilnærmet er lik en gitt buntlengde, 2) overføring av vikletråd til hjulet fra en trommel for å vikle en annaturspole med et bestemt antall vindinger på dette, idet armaturspolen derved får lukket form, 3) kutting av vikletråden ved det startpunkt på hjulet hvor påviklingen startet, slik at armaturspolen får to vikletrådender, 4) anordning av en beskyttende hylse rundt annaturspolen, og 5) markering av et midtpunkt på spolen, midt mellom vikletrådendene, hvoretter trinn 2)- 5) gjentas (n-1) ganger slik at det fremstilles n lukkede annaturspoler.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at trinn ii) omfatter:

1) oppstilling av en vikledor med en sylinder (201) som inn fra overflaten har spalter (205) med lengdeutstrekning parallelt med sylinderens lengdeakse og jevnt fordelt over sylinderens omkrets,

2) anordning av uttakbare blader (203) hvis ene ende føres inn i sin tilhørende spalte (205) og slik at den motsatte ende strekker seg ut fra sylinderens overflate, idet bladene har samme tykkelse og bredde som fluksledeelementene, og at det mellom to og to naboblader dannes et mellomrom,

3) innføring av den første armaturspole i et første av mellomrommene mellom to blader og under midtpunktsentrering, slik at spolens midtpunkt blir liggende ved midten av mellomrommet,

4) fortløpende midtpunktsentrert innføring av også de neste (n-1) armaturspoler i de tilsvarende neste mellomrom mellom to og to blader, ved å følge en første retning langs sylinderens omkrets,

5) føring av den første armaturspoles vikletrådender i den første omkretsretning og på undersiden av de neste (n-1) armaturspoler, frem til et (n+l)'te mellomrom rett bak det siste av de n mellomrom mellom bladene, og innlegging av vikletrådendene i dette (n+l)'te mellomrom og stramming av dem slik at det dannes en vikletrådsløyfe mellom det første og det (n+l)'te mellomrom,

6) gjentakelse av trinn 5) for de neste (n-1) armaturspoler på tilsvarende måte ved trinnvis å følge den første omkretsretning, slik at det tilslutt dannes n sløyfer,

7) gjentakelse av trinn 5) og 6) inntil armaturspolene er innlagt i samtlige mellomrom rundt hele omkretsen av sylinderen,

8) avslutning av alle armaturspolenes vikletrådender,

9) fjerning av bladene (203) fra spaltene (205) i sylinderen (201), og

10) uttak av de n armaturspoler fra sylinderen, idet de derved, etter viklingen ifølge trinn 1) - 9), danner den fordelte armaturvikling.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at forhåndsfrem-stillingen av fluksledeelementene omfatter produksjon av små isolerte jernpulverpartikler, og sammenpressing i en sintringsprosess til ønsket form.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og hvor fremstillingen av kompakte fluksledeelementer utføres ved sintring av små isolerte jernpulverpartikler med stor magnetisk permeabilitet til ønsket langstrakt prismeform, KARAKTERISERT VED at trinn a) omfatter: 1) tilvirkning av n vindinger, hver med en forhåndsbestemt lengde og hver oppbygget av flere parallelle vikletråder, 2) oppstilling av en vikledor med en sylinder (201) som inn fra overflaten har spalter (205) med lengdeutstrekning parallelt med sylinderens lengdeakse og jevnt fordelt over sylinderens omkrets, 3) anordning av uttakbare blader (203) hvis ene ende føres inn i sin tilhørende spalte (205) og slik at den motsatte ende strekker seg ut fra sylinderens overflate, idet bladene har samme tykkelse og bredde som fluksledeelementene, og at det mellom to og to naboblader dannes et mellomrom, 4) innføring av den første armaturspole i et første av mellomrommene mellom to blader og under nndtpunktsentrering, slik at spolens midtpunkt blir liggende ved midten av mellomrommet, 5) fortløpende midtpunktsentrert innføring av også de neste (n-1) armaturspoler i de tilsvarende neste mellomrom mellom to og to blader, ved å følge en første retning langs sylinderens omkrets, 6) føring av den første armaturspoles vikletrådender i den første omkretsretning og på undersiden av de neste (n-1) armaturspoler, frem til et (n+l)'te mellomrom rett bak det siste av de n mellomrom mellom bladene, og innlegging av vikletrådendene i dette (n+l)'te mellomrom og stramming av dem slik at det dannes en vikletrådsløyfe mellom det første og det (n+l)'te mellomrom, 7) gjentakelse av trinn 6) for de neste (n-1) armaturspoler på tilsvarende måte ved trinnvis å følge den første omkretsretning, slik at det tilslutt dannes n sløyfer, 8) gjentakelse av trinn 6) og 7) inntil armaturspolene er innlagt i samtlige mellomrom rundt hele omkretsen av sylinderen, 9) avslutning av alle armaturspolenes vikletrådender, 10) fjerning av bladene (203) fra spaltene (205) i sylinderen (201), og 11) uttak av de n armaturspoler fra sylinderen, idet de derved, etter viklingen ifølge trinn 2) - 10), danner den fordelte armaturvikling, idet det derved dannes en fordelt armaturvikling med tilnærmet sylindrisk skallform med flere langsgående ledersegmenter i innbyrdes avstand og innskutte hulrom, hvis tilstøtende ledersegmenter er forbundet med hverandre, og at trinn b) videre omfatter: innføring av fluksledeelementene i hulrommene i forholdet 1:1, nemlig slik at hvert hulrom opptar ett fluksledeelement, idet de frie hulrom (86A) og fluksledeelementene (86) som innpasses i dem hovedsakelig er rektangulært prismatiske, og idet antallet vindinger er seks og at antallet langstrakte frie hulrom er 144, og at trinn c) videre omfatter innføring av et harpiksbindemateriale rundt den sammenstilling av fluksledeelementene (86) og de tilstøtende ledersegmenter (84A) som fremstilles i trinn a) og b), for å avstive armaturviklingen.