Elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen Es sind elektrische Synchronmaschinen mit Wech selpolen mit mindestens einem ruhenden Magnet system bekannt, bei welchen das ruhende Magnet system den Magnetfluss auf Wechselpole des Rotors überträgt. Die Polflächen des ruhenden Magnet systems können Innenflächen von Hohlzylindern, Ringscheiben oder eine Zylindermantelfläche bilden. In manchen von diesen bekannten Maschinen werden getrennte Ringe zur Übernahme des Flusses von ruhenden Magneten und zur Zuführung desselben in den induzierten Teil der Maschine verwendet. Diese bekannten Maschinen benötigen einen grossen Aufwand, wenn sie gute Anlaufeigenschaften, hohen Wirkungsgrad und Leistungsfaktor aufweisen sollen.
In der erfindungsgemässen Maschine ist der Fluss einer minimalen Verzweigung unterworfen und fast der totale Fluss ist nützlich. Dadurch, dass die das Magnetfeld weiterleitenden, voneinander getrennten Ringe im wesentlichen in Form eines massiven Dop pelzylinders angeordnet sind, werden auf eine sehr einfache Weise durch Induktion der Ströme im massiven Eisen gute Anlaufeigenschaften erzielt. Somit können bei kleinem Aufwand, was für die öko nomische Herstellung von Kleinmaschinen von gro sser Bedeutung ist, die Nachteile der bisher bekann ten Maschinen dieser Art vermieden werden.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen, mit einem ruhenden Magnetsystem und mit mindestens zwei rotierenden, magnetisch voneinander getrennten Rin gen, die am Umfang ausgeprägte Nord- bzw. Südpole aufweisen und auf mindestens einen über den ganzen Umfang reichenden induzierten Teil einwirken. Die wichtigsten Merkmale der neuen Synchronmaschine sind: Das ruhende Magnetsystem besitzt einen U-för- migen Querschnitt und die das Magnetfeld weiter- leitenden voneinander getrennten Ringe haben im wesentlichen die Form eines massiven Doppelzylin ders.
Die Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes dar, und zwar die Fig. 1 und la eine Ausführung als Einfach- Synchronmaschine und die Fig. <I>2,</I> 2a-2c eine Ausführung als Doppel- Synchronmaschine in Form eines Periodenumformers.
Im besonderen zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erste Aus führungsbeispiel nach der Linie A-A in Fig. la, Fig. la einen Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 1, Fig. 2 einen Längsschnitt durch das zweite Aus führungsbeispiel, Fig. 2a die Anordnung der magnetischen Fluss- leiter des Rotors mit den Polflächen in Abwicklung und Draufsicht auf diese Polflächen,
Fig. <I>2b</I> einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 2 und Fig. 2c einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 2.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 und la befindet sich im unmagnetischen Gehäuse 1 ruhend angeordnet ein durch einen ferromagneti- schen Körper 2 gebildetes ringförmiges Magnet system mit U-förmigem Querschnitt mit der Feld erregerspule 3. Dieser ferromagnetische Körper ist zylindrisch ausgebohrt und bildet mit verbreiterten Polflächen einen Nord- und einen Südpol. Innerhalb dieser in radialer Richtung endlosen Polflächen N und S befinden sich mit kleinem Luftspalt die magnetischen Ringe 4 und 6, die magnetisch ge trennt auf der Welle befestigt sind.
Der Ring 4 bil det mit einer röhrenförmigen Verlängerung und dem S-Polzacken 5 ein gemeinsames Ganzes. Der Ring 6 bildet ebenfalls mit einer röhrenförmigen Verlänge rung, jedoch grösseren Durchmessers, und dem N- Polzacken 7 ein gemeinsames Ganzes. Die Polzacken 5 und 7 sind als Innenpolschuhe (Fig. la) ausgebil det und induzieren als Induktorsystem das ringför mige Ankereisen B. Im Ankereisen 8 ist in beispiels weise runden Nuten die normale induzierte Wicklung 9 untergebracht, deren Stirnverbindungen die Wickel köpfe 10 bilden.
Der magnetische Gleichfluss, im Magnetsystem 2 durch die ringförmige Erregerspule 3 erregt, tritt über die Luftspalte zwischen den Nord- und Süd polen zu den Ringen 4 und 6 über, fliesst in Rich tung der Pfeile nach den Polzacken 5 und 7. Bei Rotation des Rotors entsteht im Ankereisen 8 ein Drehfluss, der sich über den Eisenrücken in Pfeilrich tung (Fig. la) schliesst und die Wicklung 9 mit der Kreisfrequenz o) induziert. Die Spannungsregelung erfolgt mittels Regelung des Stromes in der Erreger spule 3 mit gleichen Mitteln wie bei bekannten Generatoren.
Die Hohlräume zwischen den als magnetische Flussleiter dienenden Ringen 4 und 6 sowie Pol zacken 5 und 7 können mit einem unmagnetischen Metall, beispielsweise Aluminium, ausgefüllt bzw. ausgegossen werden, so dass der Rotor einen kom pakten walzenförmigen Körper bildet.
Das Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 und la betrifft eine zweipolige Ausführung, doch ist es selbstverständlich, dass die betr. Maschine mit be liebig höherer Polzahl ausgeführt werden kann.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. <I>2,</I> 2a-2c ist die erfindungsgemässe Synchron maschine als Doppelmaschine in Form eines Peri- odenumformers ausgeführt. Im unmagnetischen Ge häuse 1 befindet sich ruhend angeordnet das ring förmige, durch einen ferromagnetischen Körper 2 gebildete Magnetsystem mit U-förmigem Querschnitt. Im rillenförmigen Hohlraum ist die Erregerspule 3 untergebracht, beziehungsweise mit dem Magnetkör per 2 fest verbunden.
Die Polflächen sind durch Ver breitung der Pole<I>N</I> und<I>S</I> gebildet, wodurch die Induktion in den Luftspalten verringert wird bei Übertritt des Flusses vom Magnetkörper 2 auf die magnetischen Ringe 4' und 6 des Rotors. Der Ring 4' trägt auf der linken Seite den Polzacken 5', wel cher den S-Pol des Rotors bildet. Der den N-Pol bildende Polzacken 7' hingegen ist mit der ferro- magnetischen Welle 11 fest verbunden. In Fig. 2b ist dieser zweipolige Synchronrotor im Schnitt darge stellt.
Sowohl der Anker 8' als auch die Anordnung und Ausbildung der Pole sind analog der Ausführung Fig. 1 und 1a. Der Stator 8' (Fig. 2) ist beispiels weise mit der Drehstromwicklung 9' mit den Wickel köpfen 10' ausgeführt, nur mit dem betriebsmässigen Unterschied, dass der Anker 8 (Fig. 1 und la) bei spielsweise als Generator dient, während der Anker 8' den motorischen Teil dieses Umformers in zwei poliger Ausführung bildet.
Der rechte Teil (Fig. 2, im Schnitt Fig. 2c) bildet den generatorischen Teil des Umformers und ist bei spielsweise sechspolig ausgeführt. Von der ringför migen Polfläche N des Magnetkörpers 2 tritt der magnetische Fluss auf den magnetischen Ring 6 des Rotors über. Dieser Ring 6 trägt als gemeinsames Ganzes die Polzacken 7, welche die N-Pole des ge- neratorischen Induktors bilden.
Von diesen die N- Pole bildenden Zacken 7 tritt der Fluss auf den Anker 8 über, fliesst über die Zähne und den Eisen rücken zu den die S-Pole bildenden Zacken 5 des Rotors und über die Welle 11 in Richtung der zum Polzacken 7' (N-Pol) des motorischen Teils des Um formers, wo sich der magnetische Kreis schliesst.
Der Anlauf geschieht derart, dass die Statorwick- lung 9' des motorischen Teils an ein Drehstromnetz gelegt wird. Das Drehfeld der Wicklung 9' induziert Wirbelströme im massiven Eisen der Rotorpolzacken 5' und 7', wodurch der Rotor das Anlaufdrehmoment erfährt. Diese Polkörper 5' und 7' sind miteinander durch unmagnetisches Metall samt dem Ring 4' zu einem gemeinsamen Ganzen fest verbunden und auf der Welle 11 verschiebbar angeordnet, dergestalt, dass dieser Rotorkörper etwa um eine Polteilung sich leicht verdrehen kann, jedoch durch eine nicht dar gestellte Anschlagvorrichtung die Welle 11 mitnimmt.
Durch diese Vorrichtung haben die motorischen und generatorischen Rotorteile die Möglichkeit, in der Nähe des motorischen Synchronismus sich durch gegenseitige radiale Verdrehung, ihrer Polarität ent sprechend, leichter in den Synchronismus hineinzu- heben als bei starrer mechanischer Verbindung beider Systeme.
Praktische Versuche haben sogar gezeigt, dass mit Hilfe dieser einfachen Vorrichtung solche Um former mit voller Erregung des Gleichstrom-Magnet- systems, und zwar mit Belastung des Generators, die synchrone Drehzahl erreichen. Der Erfindungs gegenstand ist jedoch nicht an diese eine Ausfühungs- form dieser Synchronisierungseinrichtung gebunden, sondern es kann auch einer der Anker 8 und 8' drehbar angeordnet werden, jedoch auch mit einem Anschlag zur Aufnahme des Gegendrehmomentes des Rotors. Letztere Form ist dann besonders zweck mässig, wenn die induzierten Ankerkörper innen an geordnet sind, die Induktorkörper hingegen ausserhalb der Anker laufen.
Bei dem zeichnerisch dargestellten und beschrie benen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Flüsse der beiden Maschinensysteme mit dem Erre- gerfluss des Magnetsystems in Reihe geschaltet. Die Anordnung kann jedoch auch so getroffen werden, dass der vom Magnetsystem ausgehende Fluss auf zwei oder mehrere Maschinensysteme als Flussver- zweigung übergeleitet wird (Parallelschaltung).
Die Anwendung von mehr als zwei Maschinen systemen, die von mindestens einem ruhenden Magnetsystem erregt werden, wird von der Erfindung ebenfalls umfasst. Ebenfalls können diese Maschinen systeme mit beliebigen Polzahlen Anwendung finden. Bei allen Arten der Ausführungsform und Fluss- führung (Serie und parallel) können die Flüsse der einzelnen Maschinensysteme beliebig geregelt werden, indem beispielsweise beim Umformer gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel im Leerlauf der Fluss gleichmässig auf beide Maschinensysteme sich verteilt.
Mit zunehmender Last des Generators hingegen kann der vom Magnetsystem erregte Fluss im Motorsystem allmählich abgedrosselt und nach dem Generator system abgedrängt werden.
Diese Flussabdrängung kann beispielsweise mit magnetischen Flussleitern geschehen, die als magne tische Nebenschlüsse mehr oder weniger in Aktion gebracht werden, indem man diese bewegt. Die Be wegung dieser magnetischen Nebenschlüsse oder Flusssperren kann durch Fliehkraft mechanisch von aussen oder durch magnetische Zugkraft geschehen. Auf diese Weise kann der Spannungsabfall im Gene rator mit zunehmender Last ausgeglichen bzw. die Klemmenspannung konstant gehalten werden.
Der Erfindungsgegenstand beschränkt sich nicht nur auf Magnetsysteme in zweipoliger Ausführung, wie in der Zeichnung dargestellt, sondern es können auch drei und mehr ruhende Pole Anwendung finden. So kann beispielsweise der ringförmige ruhende Eisenkörper zwei Rillen oder Nuten zur Aufnahme von zwei Felderregerspulen aufweisen, deren Strom verlauf entgegengerichtet ist. Ein solcher Magnetkör per besitzt dann z.
B. drei Polzacken mit endlosen kreisrunden zylinderförmigen Polflächen. Ist der mittlere bzw. innere Polzacken N-magnetisch, so sind die beiden äussern S-magnetisch; oder ist der mittlere bzw. innere Polzacken S-magnetisch, so sind die beiden äussern N-magnetisch. Zweckmässig ist der mittlere bzw. innere Polzacken mit doppeltem Quer schnitt auszuführen, weil er den magnetischen Kern bildet.
Wird nun beispielsweise eine Doppehnaschine des Erfindungsgegenstandes nach Fig. 2 mit einem solchen dreipoligen Magnetsystem ausgeführt, so sind auch drei magnetische Ringe 4 und 6 im Induktor erforderlich, die den Fluss auf die Polschenkel beider Maschinensysteme überleiten. Diese Ringe sind gleich wie die magnetischen Ringe 4, 6 gemäss Fig. 1 aus gebildet und weisen röhrenförmige Verlängerungen auf. Die Polzacken 5 und 7 des rechten Induktorteils sind an dem mittleren und einem äussern Ring befe stigt bzw. bilden ein gemeinsames Ganzes mit diesen.
Die Polzacken 5' und 7' des linken Induktorteils hin gegen sind an den mittleren und dem andern äussern magnetischen Rotorring befestigt bzw. mit diesem vereinigt. Bei dieser Ausführungsart können die Flüsse beider Maschinensysteme unabhängig vonein ander erregt und geregelt werden, indem eine Feld spule den Fluss des einen und die andere Feldspule den Fluss des andern Maschinensystems erregt.
An Stelle dieses Magnetsystems mit drei Pol zacken können auch zwei nebeneinander angeordnet werden, die je zwei Polzacken besitzen. In diesem Falle ist der Stromverlauf ebenfalls zweckmässig in beiden Spulen entgegengerichtet, so dass die beiden mittleren Polzacken gleiche Polarität, die äussern hingegen ungleiche Polarität aufweisen.
Electrical synchronous machine with alternating poles There are electrical synchronous machines with Wech selpolen with at least one resting magnet system known in which the resting magnet system transfers the magnetic flux to alternating poles of the rotor. The pole surfaces of the stationary magnet system can form the inner surfaces of hollow cylinders, ring disks or a cylinder jacket surface. In some of these known machines, separate rings are used to take over the flux from resting magnets and to feed it into the induced part of the machine. These known machines require a great deal of effort if they are to have good start-up properties, high efficiency and power factor.
In the machine of the present invention, the flow is subject to minimal branching and almost total flow is useful. Because the separate rings which conduct the magnetic field are arranged essentially in the form of a solid double cylinder, good starting properties are achieved in a very simple manner by induction of the currents in the solid iron. Thus, with little effort, which is of great importance for the economical production of small machines, the disadvantages of the previously known machines of this type can be avoided.
The invention relates to an electrical synchronous machine with alternating poles, with a resting magnet system and with at least two rotating, magnetically separated rings that have pronounced north and south poles on the circumference and act on at least one over the entire circumference of the induced part. The most important features of the new synchronous machine are: The stationary magnet system has a U-shaped cross-section and the separate rings that conduct the magnetic field are essentially in the form of a solid double cylinder.
The drawings represent two exemplary embodiments of the subject matter of the invention, namely FIGS. 1 and 1 a, an embodiment as a single synchronous machine and FIGS. 2, 2a-2c, an embodiment as a double synchronous machine in the form of a period converter .
In particular, Fig. 1 shows a longitudinal section through the first exemplary embodiment from the line AA in Fig. La, Fig. La a cross section along the line BB in Fig. 1, Fig. 2 shows a longitudinal section through the second exemplary embodiment, Fig. 2a the arrangement of the magnetic flux conductors of the rotor with the pole faces in development and plan view of these pole faces,
FIG. 2b shows a section along the line C-C in FIG. 2 and FIG. 2c shows a section along the line D-D in FIG.
In the embodiment according to FIGS. 1 and 1 a, an annular magnet system formed by a ferromagnetic body 2 with a U-shaped cross-section with the field exciter coil 3 is located in the non-magnetic housing 1, resting. This ferromagnetic body is cylindrically drilled and forms with widened Pole faces a north and a south pole. Within this in the radial direction endless pole faces N and S are located with a small air gap, the magnetic rings 4 and 6, which are magnetically separated ge attached to the shaft.
The ring 4 bil det with a tubular extension and the S-pole point 5 a common whole. The ring 6 also forms with a tubular extension, but of larger diameter, and the N-pole prongs 7 a common whole. The pole prongs 5 and 7 are as inner pole shoes (Fig. La) ausgebil det and induce the ringför shaped anchor iron B as an inductor system. In the anchor iron 8, the normal induced winding 9 is housed in example, round grooves, the end connections of which form the winding heads 10.
The magnetic direct flux, excited in the magnet system 2 by the ring-shaped excitation coil 3, passes through the air gap between the north and south poles to the rings 4 and 6, flows in the direction of the arrows towards the pole points 5 and 7. When the rotor rotates a rotary flux arises in the armature iron 8, which closes over the iron back in the direction of the arrow (Fig. la) and induces the winding 9 with the angular frequency o). The voltage is regulated by regulating the current in the exciter coil 3 with the same means as in known generators.
The cavities between the rings 4 and 6, which serve as magnetic flux conductors, as well as pole teeth 5 and 7 can be filled or poured with a non-magnetic metal, for example aluminum, so that the rotor forms a compact, cylindrical body.
The embodiment according to FIGS. 1 and la relates to a two-pole design, but it goes without saying that the machine in question can be designed with any higher number of poles.
In the second embodiment according to FIGS. 2, 2a-2c, the synchronous machine according to the invention is designed as a double machine in the form of a period converter. In the non-magnetic Ge housing 1 is arranged resting the ring-shaped, formed by a ferromagnetic body 2 magnet system with a U-shaped cross section. The excitation coil 3 is housed in the groove-shaped cavity or is firmly connected to the Magnetkör by 2.
The pole faces are formed by spreading the poles <I> N </I> and <I> S </I>, as a result of which the induction in the air gaps is reduced when the flux passes from the magnet body 2 to the magnetic rings 4 'and 6 of the rotor. The ring 4 'carries the pole prong 5' on the left-hand side, which forms the S-pole of the rotor. The pole prong 7 ′ forming the N pole, however, is firmly connected to the ferromagnetic shaft 11. In Fig. 2b this two-pole synchronous rotor is in section Darge provides.
Both the armature 8 'and the arrangement and configuration of the poles are analogous to the embodiment in FIGS. 1 and 1a. The stator 8 '(Fig. 2) is, for example, with the three-phase winding 9' with the winding heads 10 ', only with the operational difference that the armature 8 (Fig. 1 and la) serves as a generator, for example, during the Armature 8 'forms the motor part of this converter in two-pole design.
The right part (Fig. 2, in section Fig. 2c) forms the generator part of the converter and is designed with six poles for example. From the ringför shaped pole face N of the magnet body 2, the magnetic flux passes over to the magnetic ring 6 of the rotor. This ring 6 carries as a common whole the pole prongs 7, which form the N poles of the generator inductor.
From these prongs 7 forming the N poles, the flux passes over to the armature 8, flows over the teeth and the iron back to the prongs 5 of the rotor forming the S poles and over the shaft 11 in the direction of the pole prongs 7 '( N pole) of the motor part of the converter, where the magnetic circuit closes.
The start-up takes place in such a way that the stator winding 9 'of the motor part is connected to a three-phase network. The rotating field of the winding 9 'induces eddy currents in the solid iron of the rotor pole prongs 5' and 7 ', whereby the rotor experiences the starting torque. These pole bodies 5 'and 7' are firmly connected to one another by non-magnetic metal including the ring 4 'to form a common whole and are arranged displaceably on the shaft 11, in such a way that this rotor body can easily rotate about a pole pitch, but not by one Asked stop device takes the shaft 11 with it.
With this device, the motor and generator rotor parts have the possibility, in the vicinity of the motor synchronism, to lift each other more easily into the synchronism by mutual radial rotation according to their polarity than with a rigid mechanical connection of the two systems.
Practical tests have even shown that with the help of this simple device, transformers of this type achieve the synchronous speed with full excitation of the direct current magnet system, namely with a load on the generator. The subject of the invention, however, is not tied to this one embodiment of this synchronization device, but one of the armatures 8 and 8 'can also be rotatably arranged, but also with a stop for absorbing the counter-torque of the rotor. The latter form is particularly useful when the induced armature bodies are arranged on the inside, but the inductor bodies run outside the armature.
In the exemplary embodiment shown in the drawing and described in accordance with FIG. 2, the flows of the two machine systems are connected in series with the excitation flow of the magnet system. The arrangement can, however, also be made so that the flux emanating from the magnet system is transferred to two or more machine systems as a flux branch (parallel connection).
The use of more than two machine systems, which are excited by at least one resting magnet system, is also covered by the invention. These machine systems can also be used with any number of poles. With all types of embodiment and flow management (series and parallel), the flows of the individual machine systems can be regulated as desired, for example by distributing the flow evenly over both machine systems when idling in the converter according to the second embodiment.
As the load on the generator increases, however, the flux in the motor system excited by the magnet system can gradually be throttled and pushed back to the generator system.
This flux displacement can be done, for example, with magnetic flux conductors, which are more or less brought into action as magnetic shunts by moving them. The movement of these magnetic shunts or flow barriers can be done mechanically by centrifugal force from the outside or by magnetic pulling force. In this way, the voltage drop in the generator can be compensated for with increasing load or the terminal voltage can be kept constant.
The subject of the invention is not limited to magnet systems in a two-pole design, as shown in the drawing, but three or more stationary poles can also be used. For example, the annular stationary iron body can have two grooves or grooves for receiving two field excitation coils, the current of which is directed in the opposite direction. Such Magnetkör then has z.
B. three pole teeth with endless circular cylindrical pole faces. If the middle or inner pole point is N-magnetic, then the two outer ones are S-magnetic; or if the middle or inner pole point is S-magnetic, the two outer ones are N-magnetic. The middle or inner pole prong is useful with a double cross-section because it forms the magnetic core.
If, for example, a double machine of the subject of the invention according to FIG. 2 is designed with such a three-pole magnet system, three magnetic rings 4 and 6 are required in the inductor, which transfer the flux to the pole legs of both machine systems. These rings are formed from the same as the magnetic rings 4, 6 according to FIG. 1 and have tubular extensions. The pole teeth 5 and 7 of the right inductor part are BEFE Stigt on the middle and an outer ring or form a common whole with them.
The pole prongs 5 'and 7' of the left inductor part on the other hand are attached to the middle and the other outer magnetic rotor ring or are combined with it. In this embodiment, the fluxes of both machine systems can be excited and regulated independently of one another, in that one field coil excites the flow of one and the other field coil excites the flow of the other machine system.
Instead of this magnet system with three pole prongs, two can also be arranged next to one another, each with two pole prongs. In this case, the course of the current is also expediently directed in opposite directions in both coils, so that the two central pole prongs have the same polarity, while the outer polarity is different.