DE1141706B

DE1141706B - AC machine for higher frequency with permanent magnets

Info

Publication number: DE1141706B
Application number: DES44115A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Walter Zycha
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-05-27
Filing date: 1955-05-27
Publication date: 1962-12-27

Description

Wechselstrommaschine für höhere Frequenz mit permanenten Magneten Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechseistrommaschine mit sehr weitgehender Unabhängigkeit von Belastungsschwankungen zu schaffen, die außerdem kurvensteif, d. h. beispielsweise durch nachgeschaltete Verstärker oder Gleichrichter mit Anschnittsteuerung in ihrer Kurvenform praktisch nicht beeinflußbar ist, und die außerdem in ihrem mechanischen Aufbau einfach, klein und stabil ist und die für einen sehr weiten Drehzahlbereich geeignet ist.Alternating current machine for higher frequencies with permanent magnets The object of the invention is to create an alternating current machine which is very largely independent of load fluctuations and which is also curve-stiff, ie. H. its curve shape cannot be influenced, for example, by downstream amplifiers or rectifiers with gating control, and which is also simple, small and stable in its mechanical structure and which is suitable for a very wide speed range.

Die Erfindung geht aus von bekannten Wechselstrommaschinen mit höherer Frequenz als Netzfrequenz mit permanenten Feldmagneten und mit einer Ringwicklung. Bei der bekannten Ausführung einer solchen permanent erregten elektrischen Maschine ist die Ringwicklung auf einen glatten, nutenlosen Ring aufgebracht. Innerhalb dieses Ringes läuft der Feldteil in Form eines Sternrades mit permanenten Polen um. Bei einem solchen Innenpolläufer bereitet aber der mechanische Aufbau erhebliche Schwierigkeiten, wenn man hochwertige Magnete verwenden will, weil dann der Innenpolläufer aus mehreren Einzelmagneten zusammengebaut werden muß, die bekanntlich keine Bearbeitung zulassen und daher an-..esichts Cr der hohen Fliehkräfte nur schwierig zu haltern sind. Das würde auch dann zutreffen, wenn man die einzelnen Magnete in nichtmagnetischen Hülsen unterbringen würde, wie es bei der Halterung hochwertiger Magnete an sich bekannt ist.The invention is based on known AC machines with higher Frequency as mains frequency with permanent field magnets and with a ring winding. In the known design of such a permanently excited electrical machine the ring winding is applied to a smooth, slotless ring. Inside this In the ring, the field part revolves in the form of a star wheel with permanent poles. at but the mechanical structure causes considerable difficulties for such an internal pole rotor, if you want to use high-quality magnets, because then the inner pole rotor consists of several Individual magnets must be assembled, which, as is known, do not allow processing and therefore - .. given the high centrifugal forces are difficult to hold. That would also apply if you put the individual magnets in non-magnetic sleeves would accommodate, as is known per se for holding high-quality magnets is.

Es ist auch schon bekannt, die Ringwicklung innerhalb feststehender, im Kreise angeordneter U-Magnete rotieren zu lassen. Die Ringwicklung liegt dabei in Nuten des Ankerringes. Abgesehen von dem aufwendigen Aufbau des Feldteiles und den großen Abmessunaen einer solchen Maschine zeigt sie auch in elektrischer Hinsicht Nachteile, weil sie wegen der Ankerringnuten bzw. der durch diese bedingten Nutenstreuung keine ausreichende Spannungs- und Kurvenfestigkeit aufweisen kann.It is also already known that the ring winding within fixed, rotating in a circle arranged U-magnets. The ring winding is there in grooves of the anchor ring. Apart from the complex structure of the field part and It also shows the large dimensions of such a machine from an electrical point of view Disadvantages because they are due to the anchor ring grooves or the groove scattering caused by them cannot have sufficient tension and curve stability.

Es sind ferner schon elektrische Zünd- und Lichtmaschinen bekannt, die als Außenpolläufer ausgeführt sind und bei denen zur Erregung hochwertige permanente Magnete benutzt sind, die in einem mit der Maschinenwelle drehbaren topfförmigen Joch mit nichtmagnetischen Mitteln gehaltert sind. Der feststehende Anker ist aber hierbei nicht als Ringanker, sondern als Sehnenanker ausgeführt ' bei dem die Wicklungen der einzelnen Ankerteile nur in bestimmten Winkelstellungen vom Erregerfluß durchfiossen werden, wenn sich der betreffende Ankerteil zwischen zwei Polen befindet.There are also electric ignition and light machines known which are designed as external pole rotors and in which high-quality permanent magnets are used for excitation, which are held in a pot-shaped yoke rotatable with the machine shaft with non-magnetic means. The fixed anchor in which the windings of the individual anchor parts are durchfiossen only in certain angular positions of the excitation flux when the armature part in question is between two poles but this does not run as a ring beam, but as a tendon anchor '.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Maschinen. Sie betrifft eine Wechselstrommaschine für höhere Frequenz als Netzfrequenz mit permanenten Feldmagneten und mit einer ruhenden Ringwicklung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine einen Außenpolläufer aufweist, der aus einem mit der Maschinenwelle drehbaren Jochring und in diesen eingesetzten permanenten Magneten mit einer Gütezahl von mindestens etwa 3 - 106 G. Oe besteht, und daß die Ringwicklung auf einem zahn- und nutenlosen Ankerringkern aufgebracht ist, der in an sich bekannter Weise aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist und auf einem nicht magnetisierbaren Halter ruht.The invention avoids the disadvantages of the known machines. It concerns an alternating current machine for a higher frequency than mains frequency with permanent field magnets and a stationary ring winding. It is characterized in that the machine has an outer pole rotor, which consists of a yoke ring rotatable with the machine shaft and permanent magnets with a figure of merit of at least about 3 - 106 G. Armature ring core is applied, which is composed of several segments in a known manner and rests on a non-magnetizable holder.

Der Ankerringkörper kann hierbei vorteilhaft aus einzelnen etwa eine Polteilung, bei größerer Polzahl auch mehrere Polteilungen umfassende Sektoren zusammengesetzt sein, die für sich fertig bewickelt werden und dann an den Stoßstellen (zweckmäßig geschliffen) aneinandergesetzt werden. Es besteht hierbei die Möglichkeit, die Wicklungen in wenigen Lagen eng um den etwa rechteckförmigen Querschnitt der einzelnen Ringsektoren zu wickeln, so daß die Ausladung sowohl in axialer Richtung als auch in der Umfangsrichtung sehr gering wird, also das bewickelte Stück wenig größer als der Eisenkörper ist.The anchor ring body can advantageously consist of one or more individual Pole pitch, with a larger number of poles, sectors comprising several pole pitches are put together be wrapped for themselves and then at the joints (expedient ground) are attached to each other. There is the possibility here of the windings in a few layers tightly around the roughly rectangular cross-section of the individual ring sectors to wind so that the projection both in the axial direction and in the circumferential direction becomes very small, so the wound piece is a little larger than the iron body.

Bei der Maschine nach der Erfindung ist wegen der hohen Induktion ein relativ großer Luftspalt möglich; außerdem sind Wickelköpfe nicht vorhanden, so daß nicht nur keine Nuten-, sondern auch keine Wickelkopfstreuung auftritt. Gerade die Nuten- und die Wickelkopfstreuung sind es aber, die bei Belastungsänderungen eine Änderung der Streuinduktivität und damit des Blindwiderstandes bedingen und je nach dem Verlauf der Belastungsänderung eine Spannungsänderung oder eine Änderung der Kurvenform verursachen. Diese Wirkung ist um so größer, je höher die Frequenz bzw. die Drehzahl ist. Das ist bekanntlich auch die Ursache, warum höherfrequente Maschinen der bisherigen Bauarten so wenig spannungs-und kurvenstabil sind. Die Ausführung als Außenpolläufer ermöglicht einerseits die Unterbringung einer größeren Anzahl von Feldmagneten, außerdem sind im Gegensatz zur Innenpoltype mit umlaufenden Polstern keine besonderen stabilen Befestigungsmittel notwendig, weil die Magnete durch die Fliehkraft gegen den Jochring gedrückt werden, die Befestigungsmittel der Magnete also die Fliehkraft der Magnete nicht aufzunehmen haben. Das an sich bekannte Eingießen in eine Hülse aus Leichtmetall, z. B. Aluniinium, die gleichzeitig als Dämpferwicklung bei Stoßbelastungen wirkt, reicht ohne weiteres aus. Die Maschine bekommt auf diese Weise besonders kleine Abmessungen und geringes Gewicht.In the machine according to the invention, a relatively large air gap is possible because of the high induction; In addition, winding heads are not present, so that not only no slot but also no winding head scatter occurs. However, it is precisely the slot and winding head scatter that cause a change in the leakage inductance and thus in the reactance when the load changes and, depending on the course of the load change, cause a voltage change or a change in the curve shape. This effect is greater, the higher the frequency or the speed. As is well known, this is also the reason why higher-frequency machines of the previous types are so unstable in terms of voltage and curves. On the one hand, the design as an external pole rotor enables a larger number of field magnets to be accommodated; in addition, in contrast to the internal pole type with circumferential cushions, no special stable fastening means are necessary because the magnets are pressed against the yoke ring by the centrifugal force, i.e. the fastening means of the magnets are the centrifugal force of the magnets do not have to include. The known per se pouring into a sleeve made of light metal, for. B. Aluniinium, which also acts as a damper winding for shock loads, is sufficient. In this way, the machine has particularly small dimensions and low weight.

Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Maschine mit größerer Polzahl ist in der Zeichnung in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Ausführung mit Außenläufer, bei dem die Pole in einem Ring großer mechanischer Festigkeit abgestützt werden. Mit 1 ist der Ring bezeichnet, 2 stellt die Pole dar, die mit Polschuhen 3 versehen sind und im Aluminiumkörper 4 eingegossen sind. Diese Aluminiumkörper bilden eine Dämpferwicklung, die für die Aufnahme von Stoß-Kurzschlußströmen große Vorteile bringt. Die Befestigung der Pole erfolgt mit Hilfe von Schrauben, die sich an dem Aluminiumgußkörper abstützen. Die Polschuhe können aus lamelliertem Material bestehen, sie können aber auch aus aufgesinterten Eisenschichten gebildet werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, solche Schichten auch auf der Jochseite aufzusintern, da dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Pole auch auf dieser Seite auf die für die Maschine erforderliche Krümmung, z. B. durch Drehen, zu bearbeiten, um an der Übergangsstelle auf den Ring 1, der gleichzeitig den magnetischen Rückschluß bildet, einen geringen magnetischen Widerstand zu gewährleisten. In manchen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, den Ring 1 an die Form der Pole 2 anzupassen. Bei Maschinen größerer Polzahl, etwa entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel, ist aber die Ringwölbung über die Breite der Pole meistens so gering, daß von derartigen Maßnahmen auch Abstand genommen werden kann.An embodiment of such a machine with a greater number of poles is shown in the drawing in Figs. 1 and 2. This is a version with an external rotor, in which the poles are supported in a ring of great mechanical strength. The ring is denoted by 1 , and 2 represents the poles which are provided with pole pieces 3 and cast in the aluminum body 4. These aluminum bodies form a damper winding, which has great advantages for absorbing surge short-circuit currents. The poles are fastened with the help of screws that are supported on the cast aluminum body. The pole pieces can consist of laminated material, but they can also be formed from sintered iron layers. Under certain circumstances, it can be useful to sinter such layers on the yoke side, as this creates the possibility of adjusting the poles on this side to the curvature required for the machine, e.g. B. by turning, to edit in order to ensure a low magnetic resistance at the transition point to the ring 1, which at the same time forms the magnetic yoke. In some cases it can also be useful to adapt the ring 1 to the shape of the poles 2. In machines with a larger number of poles, for example in accordance with the illustrated embodiment, the ring curvature over the width of the poles is usually so small that such measures can also be dispensed with.

Der Anker ist aus Ringsektoren 6 zusammengesetzt, die beispielsweise über je zwei Polteilungen reichen, auf denen die Wicklung 7 aufgebracht ist, die bei dem Ausführungsbeispiel, wo es sich um eine Drehstrommaschine handelt, aus nebeneinanderliegenden, den einzelnen Phasen zugeordneten Gruppen bestehen kann. Diese Wicklungen werden auf die Sektoren 6 vor dem Zusammenbau aufgebracht, was eine sehr einfache Wickelarbeit sichert. Der Ankerkörper wird von einem Radstern 8 getragen, der wenigstens an seinem äußeren Bereich aus nicht magnetisierbarem Material besteht. Der Radstern mit dem Anker steht hierbei fest, während der Außenpolläufer über einen Ring 5 an der Welle abgestützt umläuft.The armature is composed of ring sectors 6 , each of which extends, for example, over two pole pitches, on which the winding 7 is applied, which in the exemplary embodiment, where it is a three-phase machine, can consist of adjacent groups assigned to the individual phases. These windings are applied to the sectors 6 before assembly, which ensures a very simple winding work. The anchor body is carried by a wheel spider 8 , which consists of non-magnetizable material at least on its outer area. The wheel spider with the armature is fixed, while the outer pole rotor rotates supported by a ring 5 on the shaft.

Eine derartige Maschine erzeugt mit hohem Wirkungsgrad Wechselströme mittlerer Frequenz etwa je nach Drehzahl und Polzahl im Frequenzbereich von 200 bis 2000 Hz. Sie ermöglicht es hierbei im Rahmen von Baumaßen, die die bisher erreichbaren ganz erheblich unterschreiten, große Leistungen unterzubringen, wobei alle früher schon mehrfach betonten Vorteile der Ringwicklung, insbesondere keine Wickelköpfe, geringe Streuverluste, gute Isolierfähigkeit infolge der geringen Potentialunterschiede der einander benachbarten Leiter auch bei hohen Spannungen usw., voll zur Geltung kommen. In Verbindung mit Trockengleichrichtern, die den mittelfrequenten Wechselstrom gleichrichten, erhält man auf diese Weise Anlagen zur Erzeugung von Gleichstrom mit äußerst geringer Welligkeit bei sehr geringem Aufwand und Baumaßen, die überdies mit wesentlich höheren Drehzahlen betrieben werden können, als dies bei Gleichstrommaschinen mit Kommutator zulässig ist, wobei durch die Vermeidung von Bürsten die Zuverlässigkeit gesteigert und die Reibungsverluste erheblich herabgesetzt werden können.Such a machine generates alternating currents of medium frequency with a high degree of efficiency, depending on the speed and number of poles in the frequency range from 200 to 2000 Hz emphasized advantages of the ring winding, in particular no end windings, low leakage losses, good insulation properties due to the small potential differences of the adjacent conductors, even at high voltages, etc., come into their own. In connection with dry rectifiers, which rectify the medium-frequency alternating current, systems for the generation of direct current with extremely low ripple are obtained with very little effort and dimensions, which can also be operated at significantly higher speeds than is permissible for direct current machines with a commutator By avoiding brushes, reliability can be increased and friction losses can be reduced considerably.

Besondere Vorteile bietet ein derartiger Stromerzeuger im Zusammenhang mit magnetischen Verstärkem nach Art von vormagnetisierten Drosseln, mit deren Hilfe eine Regelung des erzeugten Stromes nach den verschiedensten gewünschten Charakteristiken möglich ist.Such a power generator offers particular advantages in connection with magnetic amplifiers in the manner of premagnetized chokes, with the help of which a regulation of the generated electricity according to the most varied of desired characteristics is possible.

Ein besonderer Vorteil der neuen Anordnung besteht in der steifen Charakteristik der abgegebenen Spannung, da im Betrieb nur ein sehr geringer induktiver Spannungsabfall auftritt, der auch bei Vollast nur wenige Prozent beträgt, weil sich die Magnetisierung bei Belastung bei Dauermagneten trägheitslos erheblich erhöht, Außerdem ist auf eine Nutung des Ankerkörpers auf der dem Luftspalt zugewandten Seite verzichtet. Das bringt den Vorteil mit sich, daß die Nutenpulsationen wegfallen, so daß also auch von einer Lamellierung der Polschuhe abgesehen werden kann. In diesen Fällen ergibt sich infolge des Raumbedarfes der Drähte ein größerer Luftspalt.A particular advantage of the new arrangement is that it is stiff Characteristic of the output voltage, since only a very low inductive voltage during operation Voltage drop occurs, which is only a few percent even at full load, because the magnetization increases considerably under load with permanent magnets without inertia, In addition, there is a groove in the anchor body on the one facing the air gap Side waived. This has the advantage that the groove pulsations are eliminated, so that lamination of the pole shoes can also be dispensed with. In In these cases, the space required by the wires results in a larger air gap.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, sowohl die Pole als auch das Ankereisen aus metallkeramischein Material mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit auszuführen, was insbesondere bei sehr hohen Frequenzen wesentliche Vorteile mit sich bringt.Under certain circumstances it may be useful to use both the poles and The anchor iron made of metal-ceramic, a material with very low electrical conductivity perform, which has significant advantages, especially at very high frequencies brings itself.

Auf die angegebene Weise ist es möglich, für mittlere und auch verhältnismäßig hohe Frequenzen Maschinen zu bauen, die gegenüber den bekannten eine wesentlich steifere Charakteristik aufweisen und hierbei im Gewicht, Materialaufwand und Platzbedarf ganz erheblich den bekannten Ausführungen gegenüber zurückbleiben.In the given way it is possible for medium and also proportionate Build high frequencies machines that are significantly different from the known ones have stiffer characteristics and here in weight, material expenditure and space requirements remain considerably behind the known versions.

In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, eine schnell ansprechende Sicherung zur Kurzschlußbegrenzung anzuordnen, damit bei den hierbei auftretenden Stromstößen keine Entmagnetisierung der Erregerinagneten eintritt.In many cases it can be useful to have a quick response Arrange fuse to limit the short-circuit, so that when this occurs Current surges no demagnetization of the exciter magnets occurs.

Die Erfindung besteht lediglich in der gleichzeitigen Anwendung sämtlicher im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale.The invention consists only in the simultaneous application of all the features contained in claim 1.

Claims

PATENT CLAIMS-1. AC machine for higher frequencies than mains frequency with permanent field rivets and with stationary ring winding, characterized in that it has an external pole rotor that is connected to the machine shaft. rotatable yoke ring and permanent magnets used in these with a Gütrzahl of at least 3 - 106 G. Oe, and that the ring winding is applied to a toothless and slotless armature ring core, which is composed of several segments in a known manner and not on one magnetizable holder rests.

2. alternator according to claim 1, characterized in that the magnets are in each perinanenten a non-magnetizable metal casing, in particular Alaminiumhülle, cast and fixed on this yoke. Considered publications: German Patent Nos. 48 174, 137 966, 184 385, 411 326, 953 202; U.S. Patent No. 2,505,130 ; ETZ, issue 19 from October 1, 1950, p. 532; ETZ-A, No. 9 of May 1 , 1954, p. 302; EuM, issue 43/44 of October 29, 1943, pp. 517 to 525; Book by Dr. F. Niethammer: "Single and multi-phase alternation # selstromerzeuger", 2nd edition, 1906, pp. 23 and 24; Book by Hennig: "Dauermagnettechnik", 1952, pp. 112 to 115.