Elektromagnetische Maschinen, also Generatoren oder Moto- ren, können als Axialmaschine oder als die wesentlich häu- figer anzutreffende Radialmaschine ausgebildet sein. Beide Typen haben einen Induktionsteil und einen Erregerteil, wo- bei einer der beiden Teile an einer Welle befestigt ist, während der andere Teil statisch ist, so daß eine Relativ- bewegung zwischen den beiden Teilen entsteht.

Bei einer Radialmaschine ist der bewegliche Teil an der Welle befestigt und der stationäre Teil umgibt den bewegli- chen Teil entlang der Umfangsfläche.

Bei einer Axialmaschine sind der Induktionsteil und der Er- regerteil axial voneinander beabstandet. Einer der beiden Teile ist an der Welle befestigt, während der andere sta- tionäre Teil an einem axialen Ende des ersten Teils ange- ordnet ist.

Als Induktionsteil wird hier derjenige Teil bezeichnet, in dem im Generatorbetrieb, d. h. wenn mechanische in elektri- sche Energie umgewandelt wird, eine Induktionsspannung er- zeugt wird. Dazu enthält das Induktionsteil Wicklungen, an deren Enden die Induktionsspannung abgegriffen werden kann.

Im Motorbetrieb, d. h. wenn elektrische in mechanische Ener- gie umgewandelt wird, wird an das Induktionsteil eine Span- nung angelegt, so daß das Induktionsteil ein Magnetfeld er- zeugt.

Das Erregerteil ist magnetisch. Erregerteil und Induktion- steil werden bei Betrieb der Maschine relativ zueinander

bewegt. Im Generatorbetrieb induziert das von dem Erreger- teil vorgegebene Magnetfeld in dem Induktionsteil eine Spannung, da dort aufgrund der Relativbewegung ein sich zeitlich åndernder Magnetfluß vorherrscht. Im Motorbetrieb gibt das Erregerteil aufgrund der angelegten Spannung ein Magnetfeld vor, was wegen der zwischen dem Induktionsteil und dem Erregerteil wirkenden magnetischen Kräften zu einer Relativbewegung zwischen den beiden Teilen führt.

Elektromagnetische Maschinen weisen ein Rückschlußteil auf, das den Zweck hat, im Falle der Überdeckung von Erreger und Induktionsteil den magnetischen Kreis zu schließen. Der ma- gnetische Fluß wird dann durch das Erregerteil durch die überlicherweise in den Spulen befindlichen Kerne aus einem Weichmetall und das Rückführungsteil geführt. Bei Radialma- schinen sind das Induktionsteil und das Rückschlußteil fest angeordnet, während das Erregerteil mit der Welle der Axialmaschine rotiert. Dies hat sich im Generatorbetrieb als nachteilig erwiesen, da der durch das rotierende Erre- gerteil vorgegebene magnetische Fluß sich zeitlich an dem Rückschlußteil ändert, was zu Hystereseverlusten führt, da bei jeder Umdrehung das Rückschlußteil magnetisch umgepolt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialmaschi- ne mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt vor, das Erregerteil und das Rück- schlußteil an gegenüberliegenden Enden des Induktionsteils und mit axialem Abstand zu diesem und zueinander fest anzu- ordnen, so daß bei mit der Welle rotierendem Erregerteil auch das Rückschlußteil an der rotierenden Welle befestigt ist, oder daß das Erregerteil und das Rückschlußteil sta-

tionär sind, wenn das Induktionsteil mit der Welle rctiert.

Dies führt dazu, daß der durch das RückschluRteil fließende magnetische Fluß zeitlich unverändert ist, der. das Magnet- feld wird im Generatorbetrieb von dem zu dem Rückschlußteil relativ unbewegten Erregerteil aufgebracht. Somit finden keine zeitlichen Anderungen des magnetischen Flusses im Rückschlußteil statt, welche eine magnetische Umpolarisie- rung mit sich bringen würden. Die daraus resultierenden Hy- stereseverluste werden also vermieden, wodurch der Wir- kungsgrad der Axialmaschine erhöht wird. Es mussen aber die Weicheisenteile im Induktionsteil ummagnetisiert werden.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist die Erregung aufgeteilt, und zwar derart, daß an jedem verän- derlichen Uberdeckungsbereich eine Erregungsquelle, wie beispielsweise ein Magnet, vorhanden ist. Veränderliche Oberdeckungsbereiche sind hierbei die Übergänge zwischen den Magneten des Erregerteiles und den Spulenkernen des In- duktionsteiles sowie die Übergänge zwischen den Magneten des Rückschlußteiles und den Spulenkernen des Induktion- steiles. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei die- ser Ausführunasform bei gleicher zugeführter mechanischer Energie im Generatorbetrieb eine m Vergleich-u der nicht aufgeteilten Erregung mehr als doppelt so hohe Leistung er- zeugt wurde. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß der Effekt der verteilten Erregung auch ohne über ein Joch verbundene Magnete realisierbar ist, wenn auch mit Einbußen in der er- zeugten Leistung. Anstelle des Jochs und der beiden Magnete kann auch ein massives magnetisierbares Metallteil verwen- det werden, welches in einer Anlaufphase von dem Erreger- teil magnetisiert wird, so daß es nach der Anlaufphase selbst wie ein großer Magnet wirkt.

Das Material des Rickschlußteiles kann massiv ausgeführt seir., da sich der magnetische Fluß im Rückschlußteil zeit- lich nicht cndert und somit keine Nirbelstromverluste auf-

. reten. Ein massives Rückschlußteil hat den Vorteil, daß mehr magnetisches Material pro Volumen vorhanden ist und somit der Wirkungsgrad der Maschine steigt. Zudem sind mas- sive Rückschlußteile kostengünstiger.

Vorteilhafterweise rotieren das Erregerteil und das Rück- schlußteil mit der Welle, während das Induktionsteil sta- tionär ist. Bei einem Erregerteil und Rückschlußteil mit Permanentmagneten ist dann eine Kontaktierung der beiden Teile mit einer Bürste und einem Schleifring zur Zuführung einer Erregungsspannung nicht notwendig. Der Abgriff der induzierten Spannung an dem Indukticnsteil ist unproblema- -isch, da dieses Teil stationär ist.

: : at das Erregerteil Elektromagnete, können die Spulenkerne der Spule lang ausgebildet werden, so daß viele Wicklungen auf den Spulenkern aufgebracht werden können, was den Vor- teil hat, daß aufgrund der großen Anzahl von Wicklungen nur ein kleiner Erregerstrom benötigt wird, so daß nur ein kleines Bürstenfeuer an dem Schleifring entsteht. Aller- dings steigt dadurch die Schwungmasse des Erregerteiles, so àaß nur ein kleines Eürstenfeuer am Kommutator entsteht.

Alternat ist es möglich, die Spulenkerne kurz auszubil- den, was die Schwungmasse senkt, jedoch auch die Anzahl der Wicklungen reduziert und damit zu einem größeren Bürsten- feuer bei diesem Ausführungsbeispiel führt.

Eine alternative Version der Erfindung bildet eine elektro- magnetische Axialmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bei dieser sind das Induktionsteil und das Erregerteil stationär, während lediglich das Rückschlußteil rotiert.

Dies hat den Vorteil, daß das die Wicklungen von Induktion- steil und Erregerteil keine Schleifringe erfordern, weil keine beweglichen Spulen vorhanden sind. Durch den Verzicht auf bewegliche Spulen wird auch die bewegte Masse kleinge-

halten, so daß die Maschine ein gringes Trägheitsmoment hat.

Große Maschinen mit hoher Leistung haben das Hauptproblem darin, die Spulen zu kühlen, was in der Regel mit Wasser- stoff erfolgt. Durch die ausschließliche Verwendung statio- narrer Spulen wird eine solche Fluidkühlung erleichtert. Au- ßerdem kann die Maschine einfacher in den supraleitenden Zustand geführt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an- hand der Zeichnungen näher erläutert : Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Aus- führungsbeispiels der Axialmaschine, Fig. 2 eine Prinzipskizze des ersten Ausführungsbei- spiels, Fig. 3 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungs- beispiels, Fig. 4 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbei- spiels, Fig. 5 einen schematischen Schnitt entlang der Linie V-V von Fig. 4, und Fig. 6 eine Seitenansicht des Rückschlußteiles bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Axialmaschine 1. Die Axialmaschine 1 weist eine Welle 2 auf, welche an eine nicht dargestellte

mechanische Kraftquelle angeschlossen ist, welche die Welle 2 im Generatcrbetrieb der Axialmaschine 1 dreht. Die fol- genden Ausführungen sind in bezug auf den Generatorbetrieb der Axialmaschine 1 gemacht. Selbstverständlich kann die Axialmaschine auch im Motorbetrieb eingesetzt werden.

Auf einer Basisplatte 3, die die gesamte Vorrichtung trägt, ist ein Induktionsteil 4 stationär angeordnet. Das Indukti- onsteil 4 weist eine erste Spule 5 mit einem Spulenkern 6 aus Weichmetall auf. Symmetrisch zu der Welle 2 ist eine zweite Spule 7 des Induktionsteils 4 angeordnet, die einen Eisenkern 8 umschließt. Die Spulenkerne 6,8 sind parallel zu der Welle 2 angeordnet. Die beiden Spulen ;, 7 sind in Reihe geschaltet. Es können auch mehrere Spulen umfangsmä- ßig verteilt angeordnet sein.

An einem ersten axialen Ende des Induktionsteiles 4 und mit axialem Abstand zu diesem ist ein Erregerteil 9 angeordnet, das an der Welle 2 befestigt ist und mit dieser rotiert.

Das Erregerteil 9 enthält zwei Permanentmagnete 10,11, wel- che über ein metallisches magnetisierbares Joch 12 mitein- ander verbunden sind. Die Länge des Jochs 12 gibt den ra- dialen Abstand der Permanentmagnete 10,11 zu der Welle 2 vor. Dieser Abstand ist derart bemessen, daß die Permanent- magnete 10,11 die Spulenkerne 6,8 in einem bestimmten Zu- stand, dem sog. Oberdeckungszustand, der hier in Fig. 1 dargestellt ist, vollständig überdecken.

An dem zweiten axialen Ende des Induktionsteiles 4 ist ein Rückschlußteil 13 angeordnet und an der Welle 2 befestigt, so daß es mit dieser und dem Erregerteil 9 zusammen ro- tiert. Das Rückschlußteil 13 hat einen identischen Aufbau wie das Erregerteil 9. So hat es zwei Permanentmagnete 14,15 und ein diese verbindendes Joch 16. Das Erregerteil 9 und das Rückschlußteil 13 sind in derselben Ausrichtung an der Welle 2 befestigt, d. h. beide überdecken zeitgleich die

Spulenkerne 6,8 des Induktionsteiles 4. Die vier Permanent- magnete 10,11,14,15 sind mit abwechselnder Polarität ange- ordnet (Fig. 2), so daß im Überdeckungszustand ein durch- gängiger magnetischer Fluß durch die Spulenkerne 6,8, die Permanentmagnete 10,11,14,15 und die Joche 12,16 fließt.

Im Generatorbetrieb der Axialmaschine 1 wird die Welle 2 von einer nicht dargestellten Energiequelle gedreht, so daß das Erregerteil 9 und das Rückschlußteil 13 rotieren. Da die rotierenden Permanentmagnete 10,11,14,15 das Magnetfeld erzeugen, ändert sich der magnetische Fluß in den stationä- ren Spulenkernen 6,8 zeitlich. Diese Flußänderung induziert eine Spannung in den Wicklungen 5,7 des Induktionsteiles 4.

Diese induzierte Spannung kann über Klemmen abgegriffen und einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden.

Da sich der magnetische Fluß in den Spulenkernen 6,8 zeit- lich åndert, sind diese aus Generatorblechen aufgebaut, d. h. aus gegeneinander isolierten dünnen Metallblechen, so daß Wirbelstromverluste vermieden werden. Da der magneti- sche Fluß in den Jochen 12,16 keinen zeitlichen Änderungen unterworfen ist, bestehen die Joche aus massivem Material.

Die Verteilung der Erregung auf die vier Permanentmagnete 10,11,14,15 bewirkt bei der Änderung des Überdeckungsgrades eine besonders schnelle Flußänderung, was zu einer hohen induzierten Spannung führt, da die induzierte Spannung der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses mal der Win- dungszahl der Induktionsspulen entspricht.

In Fig. 3 ist eine Axialmaschine 101 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch diese Axialmaschine 101 hat eine Welle 102, einen Induktionsteil 104 mit einer ersten Spule 105, welche um einen Spulenkern 106 gewickelt ist, und einer zweiten gegenüberliegenden Spule 107, welche auf einen Spulenkern 108 aufgewickelt ist.

Das Erregerteil 109 besteht aus einem U-förmigen Joch 112, auf dessen erstem Schenkel 112a eine erste Erregerwicklung 110 aufgewickelt ist. Auf dem zweiten Jochschenkel 112b ist eine zweite Erregerwicklung 111 aufgebracht. Ein Rück- schlußteil 113 hat einen ersten Schenkel 114 sowie einen zweiten Schenkel 115 zum Überdecken der beiden Spulenkerne 106,108, wobei die beiden Schenkel 114,115 mit einem Joch 116 verbunden sind.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dieser Axialmaschine 101 das Induktionsteil 104 an der Welle 102 befestigt und rotiert mit dieser. Dazu sind die beiden in Reihe geschalteten Spulen 105,107 mit seitlichen Halteele- menten 117 an der Welle 102 befestigt. Die Halteelemente 117 haben Aussparungen, um die Spulenkerne 106,108 hervor- treten zu lassen, so daß sich lediglich ein kleiner Luftspalt zwischen den Spulenkernen 106,108 und den Schen- keln 112a, 112b, 114,115 befinden. Das Induktionsteil 104 weist radial außenliegende und umlaufende Schleifringe 118 auf, an welchen Bürsten 119 zum Abgreifen der induzierten Spannung anliegen.

Im Generatorbetrieb der Axialmaschine 101 wird die Welle 102 von einer nicht dargestellten Kraftmaschine angetrieben und eine Erregerspannung wird an die Erregerwicklungen 110 und 111 angelegt. Diese Spulen erzeugen einen magnetischen Fluß in dem Joch 112, das dadurch magnetisiert wird. Wenn das Induktionsteil 104 im Überdeckungszustand ist, fließt ein magnetischer Fluß durch die Spulenkerne 106,108 und die Jochteile 112,116, wodurch eine Spannung in den Spulen 105,107 induziert wird. Da der magnetische Fluß in dem Rückschlußteil 113 stets gleichgerichtet ist, entstehen dort keine den Wirkungsgrad reduzierenden Hystereseverlu- ste. Nach einer Anlaufphase wird der Wirkungsgrad noch wei- ter gesteigert, da das Rückschlußteil 113 von einem zeit-

lich unveranderten magnetischen Fluß durchflossen wird, was dazu führt, daß es komplett magnetisiert wird und dann wie ein Magnet zur Erregung des Induktionsteils 104 beiträgt.

Merkmale der beiden Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können bei dem Ausfüh- rungsbeispiel der Fign. 1 und 2 die Permanentmagnete 10,11 und ggf. auch die Permanentmagnete 14,15 durch Elektroma- gnete, wie sie in Fig. 3 (110,112a ; lll,, 112b) gezeigt sind, ersetzt werden.

In den Figuren 4 bis 6 ist ein. weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sämtliche Spulen stationär angeordnet sind und nur das Rückschlußteil rotiert. Das Induktionsteil 204 besteht aus mehreren umfangsmäßig verteilt angeordneten parallelen Spulenkernen 206,208, die parallel zur Welle 202 ausgerichtet sind, und Wicklungen 205,207, welche jeweils einen Spulenkern umgeben. Das Induktionsteil 209 weist eine Hülse 211 auf, welche die Erregerwicklung 210 trägt. Durch die Hülse 211 führt ein Wellenteil 212 hindurch, das den Spulenkern der Wicklung 210 bildet und mit der Welle 202 fest verbunden ist. Das Wellenteil 212 kann sich also in der Hülse 211 drehen.

Das Rückschlußteil 213 besteht aus Jochteilen 214,215 und 216,217, welche jeweils von dem den Spulenkern der Erreger- wicklung 210 bildenden Jochteil 212 nach entgegengesetzten Seiten abstehen und die Enden des Induktionsteils 204 über- streichen. Das Induktionsteil 213 rotiert zusammen mit der Welle 202.

Auch diese Maschine kann entweder als Motor oder als Gene- rator betrieben werden.

In den Figuren 5 und 6 sind die Querschnittsgrößen der Wicklungskerne 206 und 208 erkennbar, sowie auch die Quer-

schnittsgröße des Wicklungskernes 212. Der Querschnitt des Kernes 212 des Erregerteils ist so groß wie die Summe der Querschnitte sämtlicher Wicklungskerne 206,208 des Indukti- onsteils.

Die Fläche eines Jochteils 216,217 ist so groß wie die Querschnittsfläche eines Wicklungskernes 206,208 des Induk- tionsteils 204. Die Fläche des Wellenteils 212 des Rück- schlußteiles 213 ist so groß wie die Querschnittsfläche des Wicklungskernes 212 des Erregerteils 209.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 4 bis 6 hat das In- duktionsteil 204 insgesamt 4 Wicklungen 205,207, wahrend das Rückschlußteil 213 zwei Jochteile 214,215 bzw. 216,217 an jedem Ende aufweist. Es kann zweckmäßig sein, die Zahl der Induktionswicklungen zu erhöhen. So könnten statt vier auch acht Induktionswicklungen verwendet werden. In diesem Fall würde zweckmäßigerweise auch die Zahl der Jochteile des Rückschlußteils erhöht werden.