CN111527682B - 用于对电机的转子进行电励磁的设备和运行方法 - Google Patents

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Abstract

用于对电机的转子进行电励磁的设备，其中，在滑动触头中具有较小的电流密度的运行条件下，滑动触头耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，其中，由于随同旋转的电容器使转子极相对于交流电表现为开路。

Description

用于对电机的转子进行电励磁的设备和运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于对电机的转子进行电励磁的设备，以及一种用于运行这种电机的方法。本发明涉及一种以直流电流进行励磁的电机。
背景技术
在许多电机中，转子经由滑动触头进行电励磁。滑动触头可以是置于滑环上的碳刷。在动子中为运行电机所需的电流经由所形成的滑动触头被馈入。
在电机运行期间，滑动触头元件或多或少受到严重磨损。如果其中一个或多个滑动触头元件被磨损，则需要采取维修措施，这导致高成本的停机时间。为了尽可能长地拖延由于该原因所引起的电机故障，在现有技术中已经提出了各种措施。对此示例性地参考DE10 2006 040 262 B3和EP 1 885 034 A1。
接触元件磨损提高的一个原因在于，通过接触元件的电流密度超过特定的值(例如参见DE 10 2006 040 262 B3)。然而，发明人已经认识到，当通过接触元件的电流密度低于特定的值时，也会出现接触元件上的磨损提高。从某个电流密度起，流过已知且广泛使用的碳刷的通过电流将导致润滑效果，这降低磨耗。例如同步发电机的接触元件通常如下这样地设计，即，在额定负载下的磨损是尽可能低的，也就是说，在额定负载下，通过接触元件的电流密度在对于磨损是有益的范围中运动。但是存在有特定运行条件，在其中，直流电流励磁的电机以接触元件中的较低的电流密度较长时间地运行。这例如涉及在相移模式下运行的同步电机(例如，参见DE 10 2015 111 394 A1)。根据当前需要哪种无功功耗而定地，这种同步电机要么励磁不足要么励磁过度地运行。
发明内容
发明人设定的任务在于，当通过接触元件的电流密度朝小的电流密度的方向离开了有益的范围时，减轻直流电流励磁的电机的接触元件的磨损。根据本发明的解决方案，在滑动触头件中具有较小的电流密度的运行条件下，滑动触头件的耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，其中，由于随同旋转的电容器使转子极相对于交流电流表现为开路，也就是说，使交流电流不流过转子极。也可以说，通过电容器相对于交流电流短接了转子极。
该任务通过根据本发明所述的用于对电机进行电励磁的设备解决，所述设备包括具有转子体和轴的转子，所述转子体包括至少一个转子极，所述轴包括至少两个滑环，并且其中，所述设备还包括电压源和控制部，所述电压源能够提供直流电压，所述控制部与所述电压源连接并且设计成使得所述控制部能够控制所述电压源的直流电压，并且其中，所述设备还包括用于接触所述滑环的至少两个接触元件和用于将所述滑环与所述至少一个转子极连接起来的电导体，并且其中，所述电压源与所述接触元件连接并且电导体构造成使得直流电流能够流过所形成的励磁电路，以便对所述至少一个转子极进行励磁，其中，电压源能够提供交流电压，所述交流电压与所述电压源的直流电压叠加，以便在所述接触元件中具有较小的电流密度的运行条件下使所述接触元件的耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，并且所述控制部与所述电压源连接并且构造成使得所述控制部能够不依赖于直流电压地对同一电压源的交流电压进行控制，并且所述设备还包括电容器，所述电容器布置在励磁电路的位于转子上的部分中并且设计成使得所述电容器能够使所述至少一个转子极在关于所述电压源的交流电压分量方面表现为开路，由此交流电流不流过所述至少一个转子极。
该任务还利用根据本发明所述的用于运行对电机进行电励磁的设备的方法来解决，所述设备包括具有转子体和轴的转子，所述转子体包括至少一个转子极，所述轴包括至少两个滑环，并且其中，所述设备还包括电压源和控制部，所述电压源能够提供直流电压，所述控制部与所述电压源连接并且设计成使得所述控制部能够控制所述电压源的直流电压，并且其中，所述设备还包括用于接触所述滑环的至少两个接触元件和用于将所述滑环与所述至少一个转子极连接起来的电导体，并且其中，所述电压源与所述接触元件连接并且电导体构造成使得直流电流能够流过所形成的励磁电路，以便对所述至少一个转子极进行励磁，其中所述电压源能够提供交流电压，所述交流电压与所述电压源的直流电压叠加，以便在所述接触元件中具有较小的电流密度的运行条件下，使所述接触元件的耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，并且所述控制部与所述电压源连接并且构造成使得所述控制部能够不依赖于直流电压地对同一电压源的交流电压进行控制，并且所述设备还包括电容器，所述电容器布置在励磁电路的位于转子上的部分中并且设计成使得所述电容器能够使所述至少一个转子极在关于所述电压源的交流电压分量方面表现为开路，由此交流电流不流过所述至少一个转子极，
其中，所述方法包括以给定顺序进行的方法步骤：
V1：确认电机的运行状态；
V2：选定所需的直流电压分量；
V3：选定所需的交流电压分量；
V4：根据在V2和V3中选定的电压分量来驱控电压源；
其中，步骤V2至V3由控制部实施，并且
其中，在步骤V2中，基于在步骤V1中进行的运行状态确认来进行所需的直流电压分量的选定，并且在步骤V3中，根据如下标准选定所需的交流电压分量：当在V2中选定的直流电压分量不足以将接触元件中的直流电流密度提高到确保所述接触元件在滑环上具有足够的润滑效果的预先限定的值以上时，则选定如下这样的交流电压分量：使得通过所选定的交流电压分量引起的、流过所述接触元件的交流电流密度的有效值至少和直流电流密度与所提到的预先限定的值的偏差一样大。
附图说明
下面参考附图阐述根据本发明的解决方案。其中详细地：
图1示出根据现有技术的用于对电机的转子进行电励磁的设备；
图2示出根据本发明的用于对电机的转子进行电励磁的设备；
图3示出根据本发明的方法的流程图表。
具体实施方式
图1高度示意性地示出了根据现有技术的用于利用直流电流对电机的转子进行电励磁的设备。在此，转子包括转子体，转子体用7表示，并且转子体包括电转子极。转子还包括轴，该轴用3表示，并且该轴承载滑环，其中一个滑环用4表示。为了给转子极馈电，该设备包括电压源，该电压源用2表示，并且该电压源提供直流电压。该设备还包括用于接触滑环的接触元件，其中一个接触元件用5表示。在轴3上存在电导体，该电导体将滑环4与转子极连接起来，并且其中一个电导体用6表示。电压源2与接触元件5连接。在此，电压源2、与接触元件5的电连接部和轴上的电导体6布置成使得直流电流可以流过所形成的励磁电路，以便对转子极进行励磁。电机还包括控制部，该控制部用1表示并且如下这样地构造并且与电压源2连接，即，使得控制部可以对电压源进行控制。显然，需要至少两个滑环4和两个接触元件5。
图2以高度示意性的图示示出了根据本发明的用于对电机的转子进行电励磁的设备。图2的附图标记相应于图1的附图标记。与图1不同地，图2的电压源2可以提供既包括直流电压分量又包括交流电压分量的电压。两个分量叠加。这由并联的用于直流电压和交流电压的电压源符号指明。图2没有提及电压源2的实际实施方式。对于本领域技术人员来说适合于此的各种实施可行方案是充分公知的。在此，控制部1如下这样地构造并与电压源2连接，使得控制部可以彼此不相关地分别调设同一电压源的直流电压分量和交流电压分量。当然等效地，也可以使用两个能单独驱控的电压源，它们分别提供直流电压分量和交流电压分量并相应地互连。在本发明的范围中，这种布置将被理解为电压源2。此外，转子包括电容器，该电容器用8表示并其布置并设计在位于转子上的用于向转子极馈送的电路中，从而电容器使转子极在关于电压源2的交流电压分量方面表现为开路。由此确保了包括直流电流分量和交流电流分量的电流可以流过接触元件5，但是转子极只被直流电流流过，或者说流过转子极的电流具有与直流电流分量相比可以忽略不计的交流电流分量。下面将说明本领域技术人员如何为此设计电容器8。
图3示出了根据本发明的用于运行根据图2的根据本发明的设备的方法的流程图表。各个方法步骤用V1至V4表示。方法步骤包括以给定顺序进行的如下项目：
V1：确认电机的运行状态；
V2：选定所需的直流电压分量；
V3：选定所需的交流电压分量；
V4：根据V2和V3中选定的电压分量来驱控电压源2。
在步骤V1中，确认电机的运行状态。这可以通过外部的对控制部1的请求进行或也可以通过控制部1本身来进行。在步骤V2中，控制部1选定了电压源2的在V1中确认的运行状态所需的直流电压分量。在步骤V3中，控制部1选定了电压源2的交流电压分量。V3中的选定在此基于以下标准。由V2中选择的直流电压分量得到流过接触元件5的电流密度的直流电流分量。如果接触元件5中的直流电流密度在此超过了预先限定的值，则不需要交流电压分量，这是因为直流电流分量足以单独将接触元件5中的电流密度提高到可接受的接触元件磨损的范围的下阈限以上，也就是说在接触元件中润滑效果是足够的。但是，如果直流电流密度低于上述预先限定的值，则需要交流电压分量以实现足够的润滑效果。润滑效果在此是由流过接触元件5的通过电流使得接触元件被加热所产生的。如果直流电流密度比预先限定的值低了Δ_i_直流，则需要具有有效值至少为i_交流_有效≥Δ_i_直流的交流电密度，以便获得可接受的润滑效果。显然，所提到的预先限定的值取决于所使用的接触元件5的材料和几何形状。然而，对于本领域技术人员而言，可以如何确认该预先限定的值已经足够清楚。必要时本领域技术人员还可以通过实验确定该值，其方式是：取决于直流电流密度地测量接触元件5的磨损。然后，所寻求的值将由接触元件的测得的磨损和所希望的最小使用寿命得出。在步骤V4中，控制部1根据在步骤V2和V3中选定的直流电压分量和交流电压分量来控制电压源2。
电容器8的设计方案取决于电压源2的交流电压分量的频率f和转子极的电感L。为了使通过转子极的不希望的交流电分量小到可以忽略不计，电容器8的电容量C必须满足以下条件：(4п2*f2*C*L)>>1。因此，可以通过足够大的频率f和/或通过电容器8的足够大的电容量C来实现该条件。由于电容器8也随转子一起旋转，因此力求尽量不将电容器设计得太大。另一方面，针对f最简单地是选择电源频率，这是因为这样可以简化地设计电压源2。根据当前的边界条件，本领域技术人员可以容易地从所述中选定参数f和C的有利组合。
最后，还应该提到的是，通过控制部1可以基于预制表和/或基于计算来进行V2和V3中的电压分量的选定。

Claims (2)

1.用于对电机进行电励磁的设备，所述设备包括具有转子体(7)和轴(3)的转子，所述转子体包括至少一个转子极，所述轴包括至少两个滑环(4)，并且其中，所述设备还包括电压源(2)和控制部(1)，所述电压源能够提供直流电压，所述控制部与所述电压源连接并且设计成使得所述控制部能够控制所述电压源(2)的直流电压，并且其中，所述设备还包括用于接触所述滑环(4)的至少两个接触元件(5)和用于将所述滑环(4)与所述至少一个转子极连接起来的电导体(6)，并且其中，所述电压源(2)与所述接触元件(5)连接并且电导体(6)构造成使得直流电流能够流过所形成的励磁电路，以便对所述至少一个转子极进行励磁，其特征在于，电压源(2)能够提供交流电压，所述交流电压与所述电压源(2)的直流电压叠加，以便在所述接触元件(5)中具有较小的电流密度的运行条件下使所述接触元件(5)的耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，并且所述控制部(1)与所述电压源(2)连接并且构造成使得所述控制部能够不依赖于直流电压地对同一电压源的交流电压进行控制，并且所述设备还包括电容器(8)，所述电容器布置在励磁电路的位于转子上的部分中并且设计成使得所述电容器能够使所述至少一个转子极在关于所述电压源(2)的交流电压分量方面表现为开路，由此交流电流不流过所述至少一个转子极。
2.用于运行对电机进行电励磁的设备的方法，所述设备包括具有转子体(7)和轴(3)的转子，所述转子体包括至少一个转子极，所述轴包括至少两个滑环(4)，并且其中，所述设备还包括电压源(2)和控制部(1)，所述电压源能够提供直流电压，所述控制部与所述电压源连接并且设计成使得所述控制部能够控制所述电压源(2)的直流电压，并且其中，所述设备还包括用于接触所述滑环(4)的至少两个接触元件(5)和用于将所述滑环(4)与所述至少一个转子极连接起来的电导体(6)，并且其中，所述电压源(2)与所述接触元件(5)连接并且电导体(6)构造成使得直流电流能够流过所形成的励磁电路，以便对所述至少一个转子极进行励磁，其中所述电压源(2)能够提供交流电压，所述交流电压与所述电压源(2)的直流电压叠加，以便在所述接触元件(5)中具有较小的电流密度的运行条件下，使所述接触元件(5)的耗损通过额外地馈入与直流电流叠加的交流电流而减少，并且所述控制部(1)与所述电压源(2)连接并且构造成使得所述控制部能够不依赖于直流电压地对同一电压源的交流电压进行控制，并且所述设备还包括电容器(8)，所述电容器布置在励磁电路的位于转子上的部分中并且设计成使得所述电容器能够使所述至少一个转子极在关于所述电压源(2)的交流电压分量方面表现为开路，由此交流电流不流过所述至少一个转子极，
其中，所述方法包括以给定顺序进行的方法步骤：
V1：确认电机的运行状态；
V2：选定所需的直流电压分量；
V3：选定所需的交流电压分量；
V4：根据在V2和V3中选定的电压分量来驱控电压源(2)；
其中，步骤V2至V3由控制部(1)实施，并且
其中，在步骤V2中，基于在步骤V1中进行的运行状态确认来进行所需的直流电压分量的选定，并且在步骤V3中，根据如下标准选定所需的交流电压分量：当在V2中选定的直流电压分量不足以将接触元件(5)中的直流电流密度提高到确保所述接触元件(5)在滑环(4)上具有足够的润滑效果的预先限定的值以上时，则选定如下这样的交流电压分量：使得通过所选定的交流电压分量引起的、流过所述接触元件的交流电流密度的有效值至少和直流电流密度与所提到的预先限定的值的偏差一样大。
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