<Desc/Clms Page number 1>
Gleichpolgenerator für mehrphasigen Wechselstrom
Die Erfindung hat im wesentlichen einen elektrischen Stromerzeuger zum Gegenstand, der einen Um- former mit Widerstandsregelung bildet.
Der erfindungsgemässe Generator ist ein Gleichpolgenerator zur Erzeugung von ein-oder mehrphasi- gem Wechselstrom mit einem Rotor mit radialen, durch Lücken getrennten Zähnen und einem Stator, dessen Pole parallele Nuten zur Unterbringung der Ankerwicklungen aufweisen.
Es ist bekannt, dass bei den gegenwärtigen Gleichpolgeneratoren die Grösse der Ankerrückwirkung, d. h. der Erregerstromüberschuss, welcher dem Hauptmagnetkreis geliefert werden muss, um eine wesent- liche Stromlieferung der Ankerwicklung zu erhalten, stark das praktische Interesse an derartigen Maschi- nen, welche ausserdem den Nachteil grossen Gewichtes aufweisen, vermindert.
Der erfindungsgemässe Gleichpolgenerator ist praktisch frei von diesen Nachteilen. Er ist besonders dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kompensationswicklung für die Ankerrückwirkung aufweist, welche über Gleichrichterelemente, wie Dioden, Elektronenröhren, Halbleiter od. dgl., kurzgeschlossen ist, u. zw. derart, dass ein zusätzliches, das Haupterregerfeld verstärkendes magnetisches Feld erzeugt wird.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die obige Kompensationswicklung von der
Haupterregerwicklung getrennt und durch Hilfserregerspulen gebildet, die auf Polen des Stators angeord- net und untereinander in Serie zu einem über Gleichrichter geschlossenen Kurzschlusskreis verbunden sind.
Entsprechend einem andern Merkmal der Erfindung und einer Variante des Erfindungsgegenstandes ist die obige Kompensationswicklung mit der Haupterregerwicklung vereinigt und bildet ein und dieselbe Wicklung. Der Erregerkreis ist im obigen Sinn durch Gleichrichterelemente kurzgeschlossen.
Der erfindungsgemässe Generator weist somit alle Vorteile solcher Gleichpolgeneratoren auf (keine sich drehende Wicklung, keine Schleifringe, keine Bürsten, kein Kollektor, Einfachheit im Aufbau usw.), ohne jedoch deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen (hohes Gewicht, hohe Ankerrückwirkung usw.).
Da ferner diese Vorrichtungen vollständig statisch sind, erfordern sie keine Instandhaltung und besitzen eine gute Widerstandskraft gegen Stösse und Schwingungen. Diese Merkmale und Qualitäten sind besonders bei Geräten für den Transport von Passagieren oder Gütern wünschenswert, insbesondere bei Eisenbahnwagen (Beleuchtung, Luftkonditionierung usw. ), bei welchen im allgemeinen jedes Fahrzeug eine Einzelausrüstung aufweist, deren Stromerzeuger an einem Drehgestell angebracht ist und dauernd von einer Radachse über eine Übertragung, z. B. mit Keilriemen und Riemenscheiben, angetrieben wird.
Weitere Merkmale der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert :
Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt eines Gleichpolgenerators gemäss einer Ausführung der Er- findung. Fig. 2 zeigt das Schema eines Erregerkreises und der Regelung gemäss einer andern Ausführungform der Erfindung.
In Fig. 1 ist mit 1 der Stator oder das Gestell eines Gleichpolgenerators gemäss der Erfindung mit einem Nordpol 2 und einem Südpol 3 dargestellt. Um jeden dieser Pole sied in Reihe geschaltete Erregerwicklungen 4 und 5 angebracht. Wenn diese Erregerwicklungen von dem Erregergleichstrom durch-
<Desc/Clms Page number 2>
flossen werden, tritt ein Magnetfluss auf, welcher die Maschine durchsetzt. Die Nord- und Südpole wei- sen ausserdem auf ihren zylindrischen konkaven Flächen parallele Längsnuten 6 auf, in welchen die (nicht dargestellten) Ankerwicklungen untergebracht sind. Der Rotor 7 hat die Form eines Rades oder einer ge- zahnten Trommel.
Gemäss dem Prinzip der Wechselstromerzeuger mit veränderlichem magnetischem Widerstand hat die Drehung des Rotors 7 eine Änderung des Flusses zur Folge, in welchen die Ankerleiter eingebettet sind, da der Hauptmagnetfluss vorzugsweise durch die Pole des Rotors, aber nicht oder nur sehr wenig über die Zwischenräume zwischen den sich drehenden Polen geht. Die erzeugte elektromoto- rische Kraft ist daher der Differenz zwischen der Induktion vor einem Zahn des Rotors und der Induktion vor einer Zahnlücke des Rotors proportional. Da die Permeabilität der Luft nicht Null ist, tritt trotzdem ein Fluss durch die Pollücke, und die an den Ankerwicklungen erhaltene elektromotorische Kraft ist in der
Praxis kleiner als jene, welche man erhalten würde, wenn die Induktion in den Pollücken gleich Null wäre.
Die Pole 9 des Rotors haben eine solche Form, dass die zurückbleibende Induktion in der Pollücke
EMI2.1
gestatten, sich der Sättigungsschwelle der Kanten der Pole 9 zu nähern. Hiefür weist das Querprofil der
Pole 9 auf jeder der beiden Seitenflächen einen ausgehöhlten oder konkaven Abschnitt 10 auf, dessen Bo- den in der Nähe der Umfangsfläche des Kopfes des Rotorzahns liegt und dessen Umriss so gewählt ist, dass die magnetischen Streulinien so weit verlängert werden, dass die Induktion in der Zone 8 für das normale
Magneterregerfeld praktisch Null ist.
Es ist ferner zu bemerken, dass die Ankerrückwirkung umso schwächer ist, je kleiner die Windungs- zahl der Ankerwicklung ist. Es lässt sich jedoch nachweisen, dass die erhaltene Leistung am grössten ist, wenn die für das Eisen bzw. für die Windungen der Ankerwicklung vorgesehenen Querschnitte praktisch einander gleich sind. Die Erfahrung zeigt, dass es zur Berücksichtigung der Notwendigkeit der Verringe- rung der-Ankerrückwirkung zweckmässig ist, dieses Leistungsoptimum etwas zu überschreiten, indem man dem Eisen einen breiteren Querschnitt als den Nuten gibt. Da man sich dann in der Nähe des verfügbaren Leistungsmaximums befindet, hat diese Verschiebung nur einen geringen Leistungsverlust zui Folge, sie bewirkt jedoch eine beachtenswerte Verringerung der Ankerrückwirkung.
Es wird somit eine derartige
Verteilung der Ankernuten angestrebt, dass eine-Nut je sich drehendem Pol und je Phase vorhanden ist, wobei der für den Magnetfluss vorgesehene Querschnitt etwas grösser als die Hälfte des verfügbaren Gesamtquerschnittes ist. Man verringert auch die Ankerrückwirkung.
Bei der erfindungsgemässen Maschine versucht man, die Ankerrückwirkung dadurch zu verringern, dass diese Wirkung selbst für ihre eigene Kompensation benutzt wird. Bekanntlich ruft die Zirkulation des Drehstromes in der Ankerwicklung gemäss einer bekannten Erscheinung das Auftreten eines Drehfeldes hervor, welches sich dem durch die Erregung erzeugten Gleichfeld überlagert. Dieses Drehfeld hat zwei Wirkungen :.
1. Es erfordert zusätzliche Hauptampèrewindungen, da die Lage dieses Feldes gegenüber den Rotorzähnen eine Verstärkung des Erregerfeldes in dem Augenblick, in welchem der von einer Ankerwindung umschlungene Fluss abnimmt, und eine Schwächung des resultierenden Feldes in dem Augenblick, in wel- chem der von der Ankerwindung umschlungene Fluss zunimmt, zur Folge hat. Um den gleichen Flussunterschied zu erhalten, muss daher. der Hauptfluss verstärkt werden.
2. Das so erzeugte Drehfeld hat für die Windungen der Erregerwicklungen das Auftreten eines Wechselfeldes zur Folge. Sobald der Generator Strom liefert, tritt in den Erregerwicklungen eine erhebliche pulsierende Spannung auf, so dass diese dann nicht mehr als ein passiver Stromkreis angesehen werden können, sondern einen Stromkreis bilden, welcher der Sitz einer zu der Stromlieferung der Maschine proportionalen Wechselspannung ist. Diese pulsierende Spannung, welche einen Nachteil darstellen könnte, wird ein Vorteil, wenn sie für die Kompensation der Ankerrückwirkung mit Hilfe von Gleichrichterzellen od. dgl. entsprechend dem Schema der Fig. 1 benutzt wird.
Der Generator weist eine zusätzliche Erregerwicklung 12 auf, welche in sich selbst über ein Gleich- richtsrelement 13 (Diode, Halbleiter, Elektronenröhren usw.) geschlossen ist. Die durch diese Wicklung gebildete Windung ist nur dann kurzgeschlossen, wenn der erzeugte Strom den richtigen Sinn gegenüber dem Haupterzeugerstrom des Erregerkreises 14 hat. Wenn der Generator keinen Strom liefert und keine pulsierende Ankerrückwirkung vorhanden ist, entsteht in der Wicklung 12 kein Strom, oder höchsten'ein, ganz kleiner Störstrom, welcher von den Oberwellen herrührt, welche durch den Vorbeigang der Rotorzähne vor den Polen des Stators erzeugt werden.
Sobald die Ankerwicklung Strom liefert, tritt ein pulsierender Fluss auf, welcher einen zusätzlichen Strom erzeugt, welcher das Haupterregerfeld gerade in dem Augenblick verstärkt, in welchem diese Verstärkung tatsächlich erforderlich ist, da dann gerade eine verstärkte Erregung nötig wird. Die Kombination von in zweckmässiger Weise aufgeteilten Anker-
<Desc/Clms Page number 3>
querschnitten mit einer in zweckmässiger Weise benutzten pulsierenden Störspannung gestattet somit die beträchtliche Verringerung der Ankerrückwirkung und die Erzielung einer Leistung, welche der Höchst- leistung sehr nahe liegt.
Die obigen erheblichen Verbesserungen erhalten ihre wahre Bedeutung durch
Kombination mit den erfindungsgemässen Vorrichtungen zur Regelung des Erregerstroms, welche entwe- der die Spannung oder die Stromstärke konstant halten, u. zw. unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Generators, der Grösse der Belastung (z. B. Zahl der eingeschalteten Lampen) oder des Ladezustands der gegebenenfalls vorhandenen Pufferbatterie. Eine derartige Regelung, welche die Dosierung der Erregerstromstärke erfordert, kann gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 hergestellt werden.
Bei diesem
Beispiel erzeugt der Stromerzeuger 15 einen Drehstrom, welcher in Gleichstrom mittels eines statischen Leistungsgleichrichters od. dgl. 16 umgeformt wird, welcher durch Gleichrichterelemente gebildet wird, welche in der üblichen dreiphasigen Grätzschaltung geschaltet sind, und deren Hauptvorteil darin besteht, dass sie eine sehr wenig wellige Spannung liefert. Der von dem Gleichrichter 16 gelieferte Gleichstrom speist die Abgangsleitungen 17 und 18 eines Nutzstromkreises (z. B. Lampen zur Beleuchtung) sow-s eine Pufferbatterie 19. Der Gleichrichter 16 schützt gleichzeitig den Stromerzeuger 15 gegen einen Rückstrom aus der Akkumulatorenbatterie 19. Die Anordnung enthält daher weder Selbstschalter noch Rückstromrelais.
Die Spannungs- und Stromsteuerung erfolgt durch einen statischen Regler mit einem Magnetverstärker und einem z. B. elektronischen Spannungsdetektor. Diese Regelvorrichtung enthält somit keinen beweglichen Teil, kein Relais und auch keine Elektronenröhre mit Hochvakuum oder Gasfüllung und auch keine Eisen-Wasserstofflampe od. dgl. Das durch die Erregerwicklung 20 dargestellte Erregerfeld wird über Gleichrichterzellen 21,22, 23,24 aus den Phasen 25 und 26 über einen Magnetverstärker 27,28 gespeist. Die Gleichrichterzellen können durch Dioden, Halbleiter od. dgl. gebildet werden.
Es ist insbesondere zu bemerken, dass die Selbsterregung der Maschine automatisch zur Folge hat, dass die Feldwicklungen während des Stillstands der Maschine nicht gespeist werden, und dass ein Regelorgan vor den Erregergleichrichtern, d. h. auf der Wechselstromseite angeordnetwerden kann. Die Steuerung eines Wech- selstroms ist nämlich statisch leichter vorzunehmen als die Steuerung eines Gleichstroms, u. zw. mit Hil-
EMI3.1
eine zweiteSteuerwicklung 31, deren Speisestromkreis eineDiode 32 enthält und in an sich bekannter Weise an die Klemmen eines in den Nutzstromkreis eingeschalteten Nebenschlusses 33 angeschlossen ist. Die
Steuerwicklung 31 wird daher von einem Strom durchflossen, dessen Stärke von der des Nutzstromes ab- hängt.
Wenn der in den Gleichstromnutzkreis gelieferte Strom gering ist, verhindert der Spannungsabfall der Diode 32 in der Durchlassrichtung einen Stromdurchgang durch die Steuerwicklung 31. Wenn z. B. die
Gleichstromstärke zunimmt, nimmt die Spannung auch an den Klemmen des Nebenschlusses 33 zu, und von einer gewissen Schwelle an lässt die Diode 32 den Strom durch, welcher bei richtiger Schaltung der
Wicklung 31 eine Schwächung der Erregung des Magnetverstärkers (durch Variierung des Widerstandes) und somit eine Schwächung des Haupterregerstroms bewirkt. Hiedurch wird der von der Maschine gelie- ferte Strom automatisch begrenzt.
Der Spannungsdetektor 30 misst die Spannung an den Klemmen der
Akkumulatorenbatterie 19 und des Nutzstromkreises 17,18 und steuert den Magnetverstärker für die Erregung, indem er ein verstärktes Fehlersignal in Form eines Gleichstroms geringer Leistung in die Wicklung 29 schickt, wenn diese gemessene Spannung von einem vorbestimmten Wert abweicht. Der Magnetverstärker steuert daher den Strom in Abhängigkeit von dem Spannungsdetektor.
Die Verwendung des Stromes zur Speisung des Erregerstromkreises kann direkt über die Phasen 25 und 26 erfolgen. In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, die Erregerwicklung mit einer Spannung zu speisen, welche von der von dem Stromerzeuger gelieferten verschieden ist. In diesen Fällen ist ein Transformator 34, welcher in beliebiger Weise ausgebildet und insbesondere z. B. ein Spartransformator sein kann, in den Speisestromkreis der Wicklung 20 eingeschaltet.
Es kann dann bei einer beliebigen Spannung des Stromerzeugers. welche von den betreffenden Anlagen abhängt, stets die gleiche Spannung für den Erregerkreis benutzt werden. Da ferner die Leistung von Stromerzeugern dieser Art durch Änderung der Länge des Stapels des Magnetkreises verändert werden kann, kann die gleiche Windungszahl für die Erregerwicklungen 20 beibehalten werden. Dies hat zur Fol-
<Desc/Clms Page number 4>
ge, dass bei beliebiger Leistung und Spannung dieser Maschinen die Erregerstromstärke stets die gleiche ist, so dass stets die gleichen Erregerdioden 21,22, 23,24 und der gleiche Magnetverstärker 27, 28 mit den gleichen Steuerwicklungen 29, 31 benutzt werden können.
Die Möglichkeit der Beibehaltung ein und derselben Erregerausrüstung hat eine grosse Vereinfachung der Materialbeschaffung, der Entwicklungsarbeiten, der Herstellung und der Kontrollen zur Folge. Zum Übergang von einer Leistung oder einer Spannung zu einer andern braucht nur die Einstellung des Spannungsdetektors 30 geändert zu werden.
Gemäss einer Ausführungsform wird der Spannungsdetektor zweckmässig durch einen elektronischen Block mit einem oder mehreren Transistoren gebildet. Dieser Teil, welcher die Spannung der Batterie misst, ist nämlich dauernd mit dieser verbunden. Er nimmt also ständig einen geringen Strom auf, welcher äusserst klein sein soll, um die Batterie nicht während einer längeren Nichtbenutzung zu entladen. Dank der elektronischen Verstärkung kann dieser Strom auf einige Milliampère verringert werden, d. h. auf einen Wert, welcher weit unterhalb der Selbstentladung der Akkumulatorenbatterie liegt.
Die Transistoren des elektronischen Spannungsdetektors sind mit der Steuerwicklung 29 mit ihren Emitter- und Kollektorklemmen und mit dem Nutzstromkreis durch ihre Emitter-und Basisklemmen verbunden.
Der Magnetverstärker und der Spannungsdetektor können kräftig ausgebildet sein und werden vorzugsweise in Blocks aus Kunststoff od. dgl. untergebracht, wodurch ein etwaiger Ersatz erleichtert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen und die Zeichnungen sollen den Rahmen der Erfindung nicht beschränken, sondern sie sind nur als Beispiele aufzufassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichpolgenerator für mehrphasigen Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kompensationswicklung (12) für die Ankerrückwirkung aufweist, welche über Gleichrichterelemente (13), wie Dioden, Elektronenröhren, Halbleiter u. dgl., kurzgeschlossen ist, u. zw. derart, dass ein zusätzliches, das Haupterregerfeld verstärkendes magnetisches Feld erzeugt wird.
2. Generator nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswicklung (12) von der Haupterregerwicklung (14) getrennt ist und durch Hilfserregerspulen gebildet ist, die auf den Polen (2,3) des Stators (1) angeordnet und die unter sich in Serie zu einem über Gleichrichter geschlossenen Kurzschlusskreis verbunden sind.
EMI4.1