DE1463806B2 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, F i g. 3 eine perspektivische Ansicht derselben

deren Rotor zur Ausführung einer Nutationsbewe- Ausführungsform im Schnitt,

gung gegenüber dem Stator gelagert und mittels einer F i g. 4 und 5 schematische Darstellungen der we

die Nutationsbewegung in eine Rotationsbewegung sentlichen Teile der ersten Ausführungsart,

umwandelnden kinematischen Kupplung mit einer 5 F i g. 6 ein elektrisches Schaltbild zur Erklärung

Welle verbunden ist und deren Stator am Umfang der Wirkungsweise dieser Ausführungsart,

mit mehreren abwechselnd erregten, axial auf ent- F i g. 7 eine perspektivische Ansicht einer zweiter

gegengesetzten Seiten des scheibenförmigen Rotors erfindungsgemäßen Ausführungsart, teilweise im

angeordneten Elektromagneten versehen ist. Schnitt,

Es ist bekannt, mittels eines Nutationsgetriebes, io F i g. 7 a eine vergrößerte Darstellung eines wesent-

dessen Kegelzahnräder oder Zahnkränze unterschied- liehen Teiles der Ausführungsart nach F i g. 7,

liehe Zahnzahlen aufweisen, eine Rotationsbewegung F i g. 8 einen vergrößerten Schnitt der Wicklungen

in eine Nutationsbewegung geringer Amplitude oder und des Magneten der Ausführungsart nach F i g. 7

umgekehrt umzuformen oder auch eine Untersetzung und

zu erhalten. 15 F i g. 9 eine elektrisches Schaltbild, das ein Paar

Es ist ferner bekannt (deutsche Patentschrift der bei der Ausführungsart nach F i g. 7 verwendeten,

384 926), bei einer elektrischen Maschine mit Tau- diametral einander gegenüberliegenden Schaltglieder

melantrieb den mit mehreren Elektromagneten ver- betrifft.

sehenen Stator stirnseitig mit einer kreisförmigen Bei der in den F i g. 1 bis 3 veranschaulichten Führungsbahn zu versehen, auf der sich der als Tau- 20 ersten Ausführungsart der Erfindung ist eine Grundmelscheibe ausgebildete Rotor abwälzt, der über ein platte 21 starr an einem festen Rahmen befestigt. Universalgelenk mit einer Welle verbunden ist. Dabei Ein ringförmiger Stator 22 ist an der festen Grundwerden die Elektromagnete des Stators zyklisch ab- platte 21 angeschraubt und ist gleichzeitig der Träger wechselnd erregt. Bei einer anderen Ausführungs- für vier Polstücke A, B, C, D, die mittels Bügel 23 form dieser bekannten Maschine kann die Taumel- 25 an ihm befestigt sind (Fig. 2). Zwei aufeinanderscheibe auch zwischen den einander gegenüberstehen- folgende Polstücke bilden unter sich einen Winkel den Stirnseiten zweier Führungsbahnen angeordnet von 90°. Jedes Polstück besteht aus magnetisch leitsein, wobei jede Führungsbahn an der Stirnseite je fähigem Material und weist eine im wesentlichen eines Stators vorgesehen ist. Damit kann die An- U-förmige Gestalt auf. Auf den radial nach innen ziehungskraft zwischen der Taumelscheibe und dem 30 gerichteten Schenkeln 24 und 25 sind die Spulen 26 Stator erhöht werden. Andererseits wird jedoch der und 27 angebracht (F i g. 3). Wie weiter unten in Wirkungsgrad durch das Abwälzen der Taumel- Verbindung mit F i g. 6 beschrieben ist, umfaßt jede scheibe auf den Führungsbahnen verschlechtert und Spule zwei galvanisch getrennte Wicklungen, die ist die Bauweise zur Anordnung der Elektromagnete dann die Zusatzbezeichnungen a, b, c, d erhalten,
auf entgegengesetzten Seiten der Taumelscheibe auf- 35 Zwischen dem Joch der Polstücke A bis D und wendig. Außerdem müssen einander gegenüberlie- dem Statorring 22 ist jeweils ein Permanentmagnet gende Elektromagnete unabhängig voneinander so 28 eingebaut, dessen Kraftfluß sich unter den Sehenerregt werden, daß die Taumelscheibe stets nur von kein 24 und 25 des Polstückes, wie weiter unten in einem Elektromagnet angezogen wird. Verbindung mit F i g. 4 erklärt ist, aufteilt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- 40 An dem Statorring 22 ist außerdem eine Platte 30

steht demgegenüber darin, eine elektrische Maschine (Fig. 1 und 3) befestigt, die eine Scheibe 31 trägt,

der eingangs geschilderten Art einfacher und zweck- Auf letzterer sind vier Bürsten E, F, G, H (Fi g. 5)

mäßiger auszubilden, wobei insbesondere auch der befestigt, welche mit den Spulenwicklungen auf den

Verschleiß vermindert und der Wirkungsgrad verbes- Schenkeln der Polstücke A bis D auf eine weiter

sert werden soll. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß 45 unten in Verbindung mit F i g. 6 beschriebene Art

dadurch gelöst, daß die Elektromagnete den Außen- verbunden sind. Außerdem ist auf der Scheibe 31

umfang des Rotors hufeisenförmig umgreifend ange- eine Bürste / angeordnet, die gemäß der schemati-

ordnet sind, wobei zwischen den Schenkeln der Elek- sehen Darstellung nach F i g. 4 über einen Schalter

tromagnete und den entgegengesetzten Seiten des Ro- 32 an eine Gleichstromquelle 33 verbunden werden

tors je ein axialer und zwischen einem mit dem Joch 50 kann. Ein Zahnkranz 36 mit konischer Ringverzah-

verbundenen Magneten mit konstantem Fluß und nung (Fig. 1 und 3) ist starr an der Grundplatte

dem Umfang des Rotors ein radialer Luftspalt vor- 21, z. B. mit Hilfe von Schraubenbolzen oder durch

gesehen ist. Schweißen, befestigt, und ein anderer Zahnkranz 37

Durch die hufeisenförmige Anordnung der Elek- mit konischer Ringverzahnung ist durch ähnliche

tromagnete ergibt sich eine sehr einfache und wenig 55 Mittel an der Platte 30 befestigt. Die Zahnkränze 36

Platzbedarf erfordernde Bauweise sowie eine ein- und 37 haben dieselbe Zähnezahl, sind von dersel-

fache Steuerung zur Erregung der Elektromagnete. ben Art und sind an ihren Trägern jeweils in über-

Ferner wird durch die Einhaltung des beiderseitigen einstimmenden Stellungen befestigt,

axialen Luftspalts dem Verschleiß entgegen- Eine Ausgangswelle 40 ist in Kugellagern gelagert,

wirkt. 60 welche im Innern eines starr an der Grundplatte 21

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den befestigten Rohrstückes 41 angeordnet sind. Eine

Unteransprüchen gekennzeichnet. dünne Platte 42 aus biegsamem Metall, die starr an

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeich- der Ausgangswelle 40, ζ. Β. durch Schweißen, be-

nung näher erläutert. Es zeigt festigt ist, trägt auf ihrem äußeren Teil Zahnkränze

Fig. 1 eine Ansicht eines ersten erfindungsgemä- 65 43 und 44, die über Bolzen befestigt sind. Diese

ßen Ausführungsbeispieles, teilweise im Schnitt, Zahnkränze 43 und 44, die im folgenden mit Taumel-

F i g. 2 eine Stirnansicht derselben Ausführungs- zahnrädern bezeichnet werden, sind kegelförmig. Sie

art, teilweise im Schnitt, greifen in die bereits genannten festen Zahnkränze

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36 und 37 ein. Die Zahnkränze 43 und 44 haben gerufenen Fluß 61 c verringert. Es ergibt sich hiereinen Zahn mehr als die Zahnkränze 36 und 37. Auf aus am Luftspalt 64 c ein stärkerer Fluß als am Luft-Grund dieses Unterschiedes können die Zahnkränze spalt 63 c, was das Verschieben des unteren Teiles 43 und 44 in bezug auf die festen Zahnkränze 36 und des Taumelringes 46 nach links zur Folge hat.

37 eine Drehbewegung ausführen, wenn auf sie eine 5 In entsprechender Art ist die Bürste F an Teil-Taumelbewegung um die Achse der Ausgangswelle wicklungen der Polstücke B und D und die Bürste G 40 übertragen wird. Die Zähnezahl jedes Zahnkran- an Teilwicklungen der Polstücke A und C angezes 43 oder 44 bestimmt den mechanischen Vorlauf schlossen, wobei die letztere Flüsse in der entgegen- oder den Vervielfachungsfaktor zwischen dem An- gesetzten Richtung zu denjenigen liegen, Welche durch triebspaar und dem Abtriebspaar. Die Zähnezahl ist it> die an der Bürste E angeschlossenen Teilwicklungen z. B. die Zahl 99. Die Nutation bzw. die Taumel- verursacht werden. Dementsprechend verursachen bewegung der Zahnkränze 43 und 44 ist auf Grund auch die an die Bürste H angeschlossenen Teilwickder durch die biegsame Metallplatte 42 gebildeten lungen der Polstücke B und D Flüsse, deren Rich-Universalkupplung möglich. tüng der Flußrichtung der an die Bürste F ange-

Ein Taumelring 46, der aus magnetisch leitfähigem 15 Schlossenen Teilwicklungen entgegengesetzt ist.

Material besteht und zwischen den Schenkeln 24 und Die am Umfang des Taumelringes wirkende wech-

25 der Polstücke A bis D schwingen kann (F i g. 3), selnde Anziehungskraft ruft eine Rotation der beist ebenfalls an der äußeren Fläche der biegsamen weglichen Zahnkränze 43, 44 und ihres Trägers 42 Metallplatte 42, die noch einen Kegel 47 trägt, ange- in bezug auf die festen Zahnkränze, in die sie einschraubt. Der Kegel 47 läuft in eine Nabe 47 α aus, 20 greifen, hervor, so daß bei einer Viertelumdrehung die unter ZwischenscHältung von Kugellagern sich des Taumelringes eine Viertelumdrehung des Ringes in einem Ring 48 dreht, der bezüglich der Achse der 48 auf Grund dessen Exzentrizität verursacht wird. Ausgangswelle 40 eine exzentrische Öffnung besitzt. Durch die Drehung des Ringes 48 mit dem Kommu-Diese Exzentrizität bringt den Ring 48, der durch tator 50, 51 (F i g. 4 und 5) wird die Bürste F dann ein in der Platte 30 angeordnetes Kugellager getra- 25 ihrerseits unter Spannung gesetzt, wodurch die beigen wird, dazu, bei jeder vollständigen Taumelperi- den anderen Polstücke B und D erregt werden, so ode eine vollständige Drehbewegung auszuführen. daß der Zahnkranz 44 mit dem festen Zahnkranz 37

Ein auf dem Ring 48 befestigter und mit diesem unter dem Pol B und der Zahnkranz 43 mit dem sich drehender Kommutator 49 besitzt einen inneren festen Zahnkranz 36 unter dem Pol D in Eingriff Leitbereich 50, wie es in F i g. 5 dargestellt ist, und 3° kommt. Eine ähnliche Rotationsbewegung der bewegeinen äußeren Leitbereich 51, der ein Viertel des Um- liehen Zahnkränze und ihres Trägers in bezug auf die fanges bedeckt. Aus dieser Anordnung ist ersichtlich, festen Zahnkränze wird daraufhin durch das Ineindaß mindestens eine der Bürsten E, F, G, H, die andergleiten der Zähne dieser Zahnkränze hervordurch eine Feder an der Oberfläche der Kommutator- gerufen, was wiederum eine neue Viertelumdrehung platte 49 anliegen, in elektrischer Verbindung mit 35 des Ringes 48 und der Platte 49 verursacht. Die einer Bürste / steht, die mittels einer Feder gegen Bürste G wird dann unter Spannung gesetzt. Die den zentralen Leitbereich 50 anliegt. Diese Vorrich- F i g. 6 zeigt, daß man dann eine Stellung hat, die tung gestattet, nacheinander die Spulen der Pol- zu derjenigen, in der die Bürste E unter Spannung stücke A bis D zu erregen und die Taumelbewegung gesetzt ist, umgekehrt ist, d. h., daß der obere Teil hervorzurufen. 40 der Taumelplatte 42 nach links und der untere Teil

Im folgenden wird der Stromlauf durch die Bür- nach rechts gezogen wird. Die Kommutatorplatte 49

sten und Spulen an Hand der F i g. 6 beschrieben. führt daraufhin nochmals eine Viertelumdrehung aus,

Die Bürste E ist einerseits mit den Teilwicklungen wodurch die Bürste H unter Spannung gesetzt wird.

26 α und 27 α und andererseits mit den Teilwick- Man hat dann die Stellung, die umgekehrt zu der-Iungen26c und 27 c verbunden, wobei die Ströme 45 jenigen ist, bei der die Bürste F unter Spannung steht, in den angegebenen Pfeilrichtungen fließen und alle Die Umdrehung der Kommutatorplatte 49 hält die Teilwicklungen die gleiche Windungszahl aufweisen. Taumelbewegung bei einer Geschwindigkeit aufrecht, Da jede Bürste mit Teilwicklungen von diametral ge- die nur durch die Reibung und Trägheit des Ringes genüberliegenden Polstücken verbunden ist, wird der 46 begrenzt ist. Es kann dabei vorgesehen sein, den Taumelring 46 durch eines der Polstücke nach rechts 50 Erregerstrom der Spulen der Polstücke A bis D in und durch das diametral gegenüberliegende Polstück Abhängigkeit der gewünschten Geschwindigkeit zu nach links gezogen, wie an Hand der F i g. 4 im fol- verändern.

genden erläutert wird. In dem Polstück A verursacht Die Beziehung zwischen der Drehzahl der Ausder Permanentmagnet 28 α zwei Flüsse 60 α und 61 α gangswelle 40 und der Frequenz der Taumelbewein Pfeilrichtung. Die gestrichelte Linie 62 α stellt den 55 gung ist gleich l/R, wenn R die Zähnezahl der festen Fluß in Pfeilrichtung dar, der im Polstück A durch Zahnkränze ausdrückt.

den in den Spulen 26 α und 27 α fließenden Strom In vorteilhafter Weise kann man auch dem Zahnerzeugt wird. Es ist ersichtlich, daß sich die Flüsse kranzpaar 36, 43 eine andere Zahnteilung geben als 60 α und 62 a ha rechten Polschenkel addieren, da- dem Zahnkranzpaar 44, 37. In diesem Fall ist der gegen die Flüsse 61 α und 62 α im linken Pölschenkel 60 erste Zahnkranz 36 fest. Die der Taumelbewegung subtrahieren, so daß der resultierende Fluß am Luft- unterworfenen Zahnkränze 43, 44 sind auf der biegspalt 63 α wesentlich größer ist als derjenige am Luft- samen Metallplatte 42 lose angeordnet, und der vierte spalt 64 a, woraus sich das Verschieben des Taumel- Zahnkranz 37 ist mit der Ausgangswelle 40 fest verringes 46 nach rechts ergibt. Zugleich verursacht in bunden.

dem Diametral gegenüberliegenden Polstück C der **> Man sieht also, daß man mit einer Beeinflussung

Strom einen Fluß längs des Weges 62 c in der einge- der Zähnezahl R entweder eine Vergrößerung der

zeichneten Pfeilrichtung, der den durch den Per- Geschwindigkeit oder eine Erhöhung des Dreh-

manentmagneten 28 c im rechten Polschenkel hervor- momentes ohne eine HilfsÜbertragung erhalten kann.

Außerdem erreicht der Taumelring 46 nie übermäßige Rotationsgeschwindigkeiten, und seine Taumelbewegungen sind sehr klein, in der Ordnung von 1°, so daß bei kleinem Trägheitsmoment große Beschleunigungen und hohe Drehmomente erzielt werden können.

Wenn über die Ausgangswelle 40 der Motor eines Kraftfahrzeuges angelassen werden soll, kann auf bekannte Art eine Überholkupplung eingesetzt werden.

Eine zweite Ausführungsart ist in den F i g. 7 und 8 dargestellt, und zwar unterscheidet sich diese von der vorstehend beschriebenen Art durch unterschiedliche Schaltmittel. In den F i g. 7, 7 a und 8 ist ein ringförmiger Rahmen 70 erkennbar, der eine große Zahl von Polstücken 71 von im wesentlichen U-förmiger Gestalt und aus magnetisch leitfähigem Material trägt. Jedes Polstück 71 besitzt zwei Schenkel 72 und 73 (F i g. 8), die jeweils zwei Wicklungen 75 a und 75 b tragen. Innerhalb der Polstücke 71 befindet sich ein radial magnetisierter permanentmagnetischer Ring 74.

Innerhalb der'Polschenkel 72 eines jeden Pols 71 ist ein Ring 76 aus Isolierstoff angeordnet, der, gleichmäßig verteilt, eine Reihe von Schaltgliedern 77 trägt (F i g. 8), die jeweils mit den Wicklungen 75 α und 75 b verbunden sind, und zwar derart, daß jedes Schaltglied 77 zwei diametral gegenüberliegende Polstücke 71 erregen kann. Dieselben Polstücke 71 werden um 180° später, in der Periode der Nutation, durch dasjenige Schaltglied, welches dem vorbesprochenen diametral gegenüberliegt, in der umgekehrten Richtung erregt.

Auf dem Ring 76 aus Isolierstoff ist noch eine Ringfeder 80 mit einem Isolierstreifen 81 befestigt (Fig. 7 a). An die Feder 80 ist eine Stromquelle angeschlossen, so daß bei geschlossenem Kontakt 77 eine elektrische Verbindung mit den entsprechenden Wicklungen 75 α und 75 b hergestellt ist. An den gegenüberliegenden Wänden des Rahmens 70 sind einander gleiche Kegelzahnradkränze 82 und 83 angeordnet.

Im zentralen Teil des Rahmens 70 ist gemäß der Darstellung nach F i g. 7 eine Ausgangswelle 85 drehbar gelagert, die über eine Uberholkupplung 86, die Nabe 87 und eine biegsame Taumelringscheibe 88, die aus einem dünnen und biegsamen Blech besteht, angetrieben wird. Auf jeder Stirnfläche der Taumelringscheibe 88 sind konische Zahnkränze 90 und 91 angeordnet, die in die Zahnkränze 82 bzw. 83 eingreifen, wobei die Zahnkränze 90 bzw. 91 einen Zahn mehr aufweisen als die Zahnkränze 82 und 83. Am Außenrand der Taumelringscheibe 88 ist der Ring 92 aus matnetisch leitfähigem Material befestigt.

In F i g. 9 sind schematisch die Wicklungen dargestellt, die an ein Paar von diametral einander gegenüberliegenden Schaltgliedern 77 α und 77 b angeschlossen sind. Das Glied 77 b ist mit den Wicklungen 75 b verbunden, die auf gegenüberliegenden Schenkeln von zwei diametral einander gegenüberliegenden Polstücken 71 sitzen. Das Glied 77 α ist mit den entsprechenden Wicklungen 75 α der beiden selben Polstücke 71 verbunden. Während etwa einer Viertelperiode der Taumelbewegung ist das Glied 77 b mittels der Ringfeder 80 und eines Schalters 94 an die Stromquelle 93 angeschlossen. Die Feder 80 wird unter der Wirkung des Taumelringes 92, der sich beim Drehen gegen den Isolierstreifen 81 abstützt, gegen das Schaltglied 77 b gedrückt. Die Erregung der Wicklungen 75 b ruft in der Höhe der einen Wicklung 75 b das Verschieben des Taumelringes 92 (F i g. 8) in Richtung des Zahnkranzes 82 und in der Höhe der zweiten Wicklung 75 b ein Verschieben in Richtung des Zahnkranzes 83 hervor, was den Ring in eine Taumelbewegung versetzt. Auf ähnliche Art veranlaßt das Schaltglied 77 a die Wicklungen a, eine Taumelbewegung auf den Ring 92 aufzubringen, wenn die Feder 80 durch Druck in Kontakt

ίο mit dem Schaltglied 77 λ gebracht wird. Diese Wirkung ist ähnlich derjenigen, welche an Hand des ersten Ausführungsbeispieles beschrieben wurde.

Bei diesen Ausführungsarten ist die durch die Verformung der Metallplatte geschaffene Kupplung im Hinblick auf die Trägheit des Systems sehr wichtig. Der Strom kann von einer vielphasigen Wechselstromquelle geliefert werden, und die Schaltung kann durch eine äußere Quelle derart gesteuert werden, daß die Geschwindigkeit und die Beschleunigung in sehr engen Grenzen unter Kontrolle steht.

Während bei den beiden dargestellten Ausführungsarten zwei Verzahnungssätze verwendet werden, kann auch ein einzelner Satz, der ein festet Zahnrad und ein Taumelzahnrad umfaßt, in Kombination mit einem geeigneten Universalgelenk angewandt werden. Ferner könnte das Rad, das nicht den Taumelbewegungen unterworfen ist, auf der Ausgangswelle angeordnet sein, wobei dann das Taumelrad mit Hilfe eines Universalgelenkes an dem Rahmen angeordnet wäre.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine, deren Rotor zur Ausführung einer Nutationsbewegung gegenüber dem Stator gelagert und mittels einer die Nutationsbewegung in eine Rotationsbewegung umwandelnden kinematischen Kupplung mit einer Welle verbunden ist und deren Stator am Umfang mit mehreren abwechselnd erregten, axial auf entgegengesetzten Seiten des scheibenförmigen Rotors angeordneten Elektromagneten versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (A, B, C, D; 71) den Außenumfang des Rotors (46; 92) hufeisenförmig umgreifend angeordnet sind, wobei zwischen den Schenkeln (24, 25; 72) der Elektromagnete und den entgegengesetzten Seiten des Rotors je ein axialer und zwischen einem mit dem Joch verbundenen Magneten mit konstantem Fluß und dem Umfang des Rotors ein radialer Luftspalt vorgesehen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet mit konstantem Fluß (28; 74) als stabförmiger oder radial magnetisierter ringförmiger Permanentmagnet ausgebildet ist.

3. Elektrische Maschine nach einem der An-Sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor an einer biegsamen Membran (42; 88) befestigt ist, die mit einer Welle (40; 85) verbunden ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in einer gegenüber der Welle (40) exzentrisch geführten Hülse (48) gelagert ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der An-

Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einem doppelten Nutationszahnkranz (43, 44; 90, 91) versehen ist, der abwechselnd mit einem von zwei beidseits angeordneten Zahnkränzen (36, 37; 83, 84), von denen wenigstens einer mit dem Statorgehäuse fest verbunden ist, zur Ausführung der Nutationsbewegung kämmt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften des Nutationszahnkranzes (43, 44; 90, 91) und die Zahnkränze (36, 37; 82, 83) jeweils gleiche, doch voneinander verschiedene Zähnezahl aufweisen.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnezahl sich um Eins unterscheidet.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften des Nutationszahnkranzes jeweils einen Zahn mehr als die beiden Zahnkränze aufweisen.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus mehreren am Umfang angeordneten und mit den Wicklungen verbundenen Kontaktstücken (77) vorstehender Kommutator an einem Schenkel (72, 73) der Elektromagnete angeordnet ist und als Bürste eine ringförmige, vom Rotor andrückbare Feder (80) dient.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 009526/51