DE102006046962A1

DE102006046962A1 - Elektrische Maschine, insbesondere mehrstufig schaltbarer Generator, Generator für niedrige Drehzahlen und regelbare Induktionsbremse

Info

Publication number: DE102006046962A1
Application number: DE102006046962A
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2008-02-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen mehrstufig schaltbaren Generator, einen Generator für niedrige Drehzahlen, wie er in der Wind- und Wassertechnik vorkommt, und eine regelbare Induktionsbremse. Dabei induziert ein gestellfester, regel- und/oder schaltbarer Elektromagnet in einem Läufer mit Kurzschlußwicklung geringen Widerstandes einen hohen Stromfluß, wodurch an diesem starke Magnetpole entstehen, welche wiederum in gestellfesten Generatorwicklungen einen Nutzstrom erzeugen oder in gestellfesten Kurzschlußwicklungen einen weiteren starken Strom und Magnetpole ausbilden und damit ein starkes Bremsmoment auf den Läufer erzeugen. Als Generator kann für eine gewünschte Frequenz die Polzahl halbiert werden oder eine gewünschte Frequenz mit unterschiedlichen Antriebsdrehzahlen realisiert werden. Als Bremse kann ein hohes Maximalbremsmoment bei guter Steuerbarkeit der wirkenden Bremskräfte realisiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere auf einen mehrstufig schaltbaren Generator, einen Generator für niedrige Drehzahlen und eine regelbare Induktionsbremse.
Generatoren sind bisher in der Regel analog den bekannten Typen der Gleich- oder Wechselstrom- und Drehstrommotoren (Asynchrongeneratoren) aufgebaut.
Für langsam drehende Generatoren, wie sie bei Windkraft- oder Wasserkraftanlagen zur Vermeidung mechanischer Getriebe erwünscht wären, sind bisher hohe Polpaarzahlen notwendig, um die Wechselstromfrequenz an die Netzfrequenz anzupassen. Dies macht die Generatoren groß, schwer und aufwendig.
Bei Fahrzeuglichtmaschinen würde man gerne im oberen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors die Frequenz verringern, um so die dort hohen Eisenverluste zu vermindern und den Wirkungsgrad des Generators zu verbessern.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, kann bei gegebener Polzahl die Netzfrequenz gegenüber heutigen Generatoren verdoppeln. Zusätzlich ist die Möglichkeit gegeben, durch unterschiedliche Teilungen von Erregerpolen auf verschiedenen Umfangssegmenten unterschiedliche Generatorfrequenzen zu schalten und so den Generator an verschiedene Antriebsdrehzahlen anpassen zu können.
Elektrische Bremsen als Hysteresebremsen, bei welchen ein Magnet auf eine in dessen Magnetfeld um eine parallel zum Magnetfeld liegende Achse drehende Metallscheibe wirkt und dadurch Wirbelströme in dieser Metallscheibe erzeugt, sind wohlbekannt und auch im Einsatz. Ebenso können Elektromotoren in der Verwendung als Generatoren als Bremse eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Systeme ist, daß die gesamte magnetische Erregung aktiv zugeführt werden muß, was einen hohen Erregerstrom und aufwendige Wicklungen erfordert oder bei generatorischen Bremsen einen großen Bauraum notwendig macht.
Es gibt aber auch die Möglichkeit einen Erregermagneten nur als „Zündmagneten" einer Induktionskupplung oder -bremse einzusetzen und dann eine automatische Verstärkung der Selbstinduktion der beiden relativ zueinander drehenden Teile zu bewirken.
Ein derartiges System ist in DE 198 11 966 A1 beschrieben.
Dort wirkt ein an einem drehenden oder gestellfesten Teil festes Polrad auf eine relativ zu diesem drehende Kurzschlußwicklung mit großem Leiterquerschnitt und induziert auch bei geringen Spannungen einen hohen Strom. Die zwischen dieser drehenden Kurzschlußwicklung ausgebildeten Magnetpole wirken wiederum auf eine im Teil des Polrades angeordnete Kurzschlußwicklung, die wiederum Magnetpole ausbildet, sodaß sich durch diese ausgebildeten Magnetpole die Bremswirkungen gegenseitig verstärken.
Das in DE 198 11 966 A1 beschriebene System ist nur als Bremse oder Kupplung geeignet, da bei beiden relativ zueinander drehenden Teilen Kurzschlußwicklungen vorgesehen sind Dies System hat aber auch als Bremse zusätzlich Regelprobleme, da ein Polrad vorgesehen ist. Das bedeutet, daß bei Bremsen die „Zündinduktion" auf dem gesamten Umfang geschieht und damit schlagartig die volle Bremswirkung erfolgt, die die beiden relativ zueinander drehenden Teile schlagartig zueinander abbremst.
Eine Variation der Stärke der Erregung, wie es z.B. in 1 der o.a. Anmeldung durch Relatiwerschieben der beiden Wellen vorgesehen ist, macht nur deshalb Sinn, weil die Flächen der Selbstinduktion verkürzt werden. Würde man nur das Polrad verschieben, ließe sich die Bremswirkung kaum beeinflussen.
Auch wird ein Polrad voluminös, schwer und teuer.
Zusätzlich wird, wenn die Magneten eines Polrades Elektromagnete sind, die auf eine in Eisen eingebettete Kurzschlußwicklung wirken, eine starke Gegeninduktion bewirkt, die die Regelbarkeit der Magnetstärke stört.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, soll zum einen neuartige Generatoren ermöglichen, welche die Regelbarkeit des Systems erhöhen, zum anderen den Aufbau vereinfachen und mechanische Regelungen vermeiden.
Dies wird zum einen dadurch erreicht, daß gestellfeste in ihrer Stärke, Umfangslänge und/oder Einschaltdauer regelbare Elektromagneten im Gestell angeordnet sind, die auf eine Kurzschlußwicklung oder Käfigwicklung des drehenden Teiles wirken und an diesem Magnetpole ausbilden, die auf im Gestell angeordnete Kurzschlußwicklungen oder Generatorwicklungen wirken und in diesen einen Stromfluß induzieren, der in seiner Stärke geregelt oder an- und ausgeschaltet werden kann.
Dabei wird aber, zumindest bei Bremsen, die Erregung nicht auf einem vollständigen Polrad und/oder nicht gegenüber eisenummantelten Wicklungen bewirkt. Dies dient der feineren Regelbarkeit des erreichbaren Bremsmoments.
Die Erfindung und ihre Ausführungen wird anhand der 1-13 erläutert.
1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Generators.
In einem drehbaren Läufer (5) ist eine Kurzschlußwicklung (1) angeordnet, welche eine umlaufende Kurzschlußwicklung (wie sie in 3 oder 6 skizziert ist) oder eine Käfigwicklung ist (wie sie in 2 oder 5 skizziert ist).
Dieser Läufer dreht über einer Erregerwicklung (2) im Gestell (4). Dadurch werden in den Kurzschlußwicklungen (1) des Läufers (5) Ströme induziert, welche am Läufer Magnetpole ausbilden. Diese Magnetpole wiederum wirken auf Generatorwicklungen (3) im Gestell (4), in welchen sie Ströme generieren, wodurch zwischen diesen Generatorwicklungen wiederum Magnetpole ausgebildet werden. So verstärken sich Läufer- und Gestellmagnete gegenseitig.
Eine Regelung erfolgt hier über die erforderliche Mindestspannung in der Generatorwicklung (3) oder durch schnelles Aus- und Einschalten der Erregerpole (2) wie bei Fahrzeuglichtmaschinen.
Dort wird z.B. der Erregerstrom ausgeschaltet, wenn die Spannung in den Generatorwicklungen über 14 V steigt und wieder eingeschaltet, wenn die Spannung unter 12 V sinkt.
2 zeigt die Wirkungsweise des Systems. In der linken Figur wird der Läufer mit den rechteckigen Kurzschlußwicklungen über den Gestellpolen der Erregermagnete nach unten bewegt. Dadurch wird der skizzierte Stromfluß und die skizzierten Magnetpole in den Rechteckswicklungen erzeugt.
Die mittlere Skizze zeigt nun die Wirkung dieser Läuferpole auf die Generatorwicklungen. Relativ zu den Läuferpolen werden die Generatorwicklungen nach oben bewegt, wodurch sich in den Generatorleitern ein Stromfluß entgegengesetzt zur Orientierung der Läuferströme unter den entsprechenden Erregerpolen der linken Figur einstellt.
Die rechte Figur zeigt nun, daß dadurch stets Läuferpole gegen Pole gleicher Orientierung an Erreger und Generator bewegt werden, wodurch der Drehwiderstand steigt.
3 zeigt die Ausbildung der Läuferpole (1p) über den Erregerpolen (2p) und die von den Läuferpolen (1p) erzeugten Generatorpole (3p) bei Läuferdrehung.
4 erläutert, wie das System als Gleichstromgenerator genutzt werden kann. Ordnet man die gestellfesten Pole des Innenrings so an, daß sie genau zwischen zwei Leiterbahnen des Generatorteils im Außenring stehen, induziert man in den Generatorwicklungen einen pulsierenden Gleichstrom.
5 dient der Erläuterung, wie man mit halber Polzahl gegenüber herkömmlichen Generatoren eine bestimmte Wechselstromfrequenz erzielen kann.
Dabei sind die gestellfesten Erregerpole um eine halbe Polbreite zu den gestellfesten Generatorpolen verschoben.
Die Skizze dient der Funtionserläuterung von oben links nach unten rechts.
Oben links liegen die Läuferleiter über den Erregerpolen, wodurch die gezeigten Ströme und Pole durch Läufer- und Generatorleiter gebildet werden.
Oben in der Mitte wechselt die Orientierung im Läufer- und damit auch im Generatorteil, dies führt zur nächsten Figur Oben rechts, in der die Ströme und Pole in Läufer und Generator umgedreht werden.
Unten links wechselt nur die Orientierung im Generatorteil, sodaß man Unten rechts in den Generatorwicklungen die Ausgangsverhältnisse der Figur oben links erreicht.
Bei Verdrehung des Läufers um einen Pol erhält man daher in den Generatorwicklungen eine volle Wechselstromphase, die man bei konventionellen Generatoren nur mit einem Polpaar erzielt.
6 zeigt den Aufbau mit einer umlaufenden Kurzschlußwicklung im Läufer in perspektivischer Sicht. Ein derartiger Generator kann nur bei einer Antriebsdrehzahl eine gewünschte Netzfrequenz erzielen.
7 und 8 dienen der Erläuterung, wie ein Generator eine Netzfrequenz mit verschiedenen Antriebsdrehzahl realisieren kann.
Wenn die Wicklung im Läufer ein Käfigläufer oder ein Läufer mit nebeneinander angeordneten, rechteckigen Kurzschlußwicklungen auf dem Umfang ist, dann werden nur in den Läuferleitern (1) über eingeschalteten Erregerpolen (2) Ströme induziert, die in den Generatorleitern (3) einen Strom erzeugen.
In 7 wird nur die Hälfte des Läuferumfangs zur Stromerzeugung genutzt. Die Läuferleiter, die nicht über einem Pol liegen sind ohne Stromfluß.
In 8 sind diese in 7 polfreien Segmente für eine zweite Polteilung von Erreger und Generator genutzt. Je nachdem, welche Polteilung (8, 9) man einschaltet (und die andere ausschaltet) erreicht man eine gewünschte Netzfrequenz bei einer anderen Drehzahl.
In der gezeigten Figur ist die Polteilung 15° (8) eingeschaltet und die andere ausgeschaltet. Bei einer Läuferdrehung von 360° hat man damit 24 Wechselstromphasen. Zur Erzielung der Netzfrequenz 50 Hz muß daher der Läufer 125 Umdrehungen in der Minute machen.
Schaltet man die Polteilung 18° (9) ein und die andere aus, hat man 20 Wechselstromphasen pro Umdrehung. Zum Erreichen einer Netzfrequenz von 50 Hz muß man daher den Läufer 150 mal in der Minute drehen.
9-12 erläutern Aufbau und Funktion einer neuartigen Induktionsbremse.
9 zeigt einen besonders aufgebauten Scheibenläufer (11) einer Induktionsbremse, die z.B. eine Welle (10) bremsen soll. An diesem sind Kurzschlußwicklungen (12) angeordnet, zwischen denen nur auf einem inneren Ring Eisenteile (13) vorhanden sind.
Induziert man in den dicken Kurzschlußwicklungen (12) Spannungen, fließen wegen des geringen Leiterwiderstandes hohe Ströme, die in den Eisenteilen (13) starke Magnetflüsse bewirken. Diese wirken nach beiden Seiten der Scheibe.
10 zeigt die Erregermagnete (14) und ihre Anordnung am Scheibenumfang. Dadurch wirken sie auf nicht von Eisen ummantelte Leiter (15). Daher hat man auch nur eine geringe Rückwirkung auf die Erregermagnete.
Bei Einschalten der Erregermagnete (14) und Drehung der Scheibe fließen in den gekennzeichneten Scheibenleitern (16) Ströme der gezeigten Orientierung. Die übrigen Leiter sind ohne Stromfluß.
Neben der abzubremsenden Scheibe sind gestellfeste Scheiben angeordnet, wie sie in 11 skizziert sind.
11 zeigt eine gestellfeste Scheibe mit Kurzschlußwicklung (20) und zwischenliegenden Eisenteilen (21).
12 zeigt eine Explosionszeichnung der Anordnung der Teile.
Wie auch beim Generator induzieren die bei eingeschalteten Erregermagneten erzeugten Läufermagnete in den gestellfesten Scheiben ebenfalls einen Stromfluß mit Ausbildung von Magneten, die die Wirkung von Scheiben- und Gestellmagneten vergrößern und so die Bremswirkung verstärken.
Die Bremse wird so geregelt, daß entweder der Erregerstrom variiert oder an- und ausgeschaltet wird und nur einzelne Erregermagnete eingeschaltet werden.
Zur verbesserten Regelbarkeit können anstelle der gezeigten Käfigwicklung auch separate Sektorwicklungen entsprechend der Rechteckswicklung beim Generator vorgesehen werden.
13 zeigt einen Aufbau zur verbesserten Abfuhr der Bremswärme. Dabei sind im Luftspalt der Bremse Leiter mit einem geringen Widerstand angeordnet, die zu außerhalb des Luftspaltes angeordneten Widerständen (30) (etwa lange Leiter mit geringerem Leiterquerschnitt) führen, die eine große Oberfläche zur Wärmeabfuhr aufweisen und/oder in ein Medium mit verbesserter Wärmeabfuhr geführt werden oder zum Rückgewinn der Bremsenergie genutzt werden.

Claims

Elektrische Maschine bestehend aus mindestens a) einem ersten drehbaren Teil mit einer ersten Wicklung, welche eine Kurzschlußwicklung (z.B. Käfigläufer, umlaufende Kurzschlußwicklung oder separate, rechteckige Kurzschlußwicklung) ist, b) einem zweiten gestellfesten Teil mit einem daran angeordneten Magneten und c) einer zweiten Wicklung , welche gestellfest ist, bei welcher der Magnet bei Relativdrehung des ersten zu dem zweiten Teil in der ersten Wicklung einen Stromfluß induziert und dadurch eine Magnetwirkung erzeugt, die in der zweiten Wicklung ebenfalls einen Stromfluß induziert und eine Magnetwirkung erzeugt, die durch Induktion den Stromfluß in der ersten Wicklung vergrößert und damit durch Reinduktion auch den Stromfluß in der zweiten Wicklung vergrößert, sodaß durch eine vergleichsweise geringe Magnetkraft des ersten Magneten eine starke elektromagnetische Wirkung zwischen den beiden Wicklungen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine als Generator oder Bremse verwendet wird, bei der die Erregermagnete gestellfeste, schalt- und/oder in der Stärke regelbare Elektromagneten (2, 14) sind, die auf Kurzschlußwicklungen (1, 12, 15) im Läufer (5, 11) wirken, und A) im Falle, daß die Maschine als Generator verwendet wird, die zweite Wicklung (3) eine gestellfeste Generatorwicklung ist, oder B) im Falle, daß die Maschine als Bremse verwendet bei der die zweite Wicklung eine gestellfeste Kurzschlußwicklung (12, 15) ist und a) die Bremswirkung der Bremse durch die Ein- und Ausschaltdauer und/oder das Öffnen und Schließen der gestellfesten Wicklungen geregelt wird und/oder b) die Luftspaltwicklungen zu Widerständen (30) oder verlängerten Leitern außerhalb des Luftspalts geführt werden, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen
Elektrische Maschine unter Patentanspruch 1 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der zweiten Wicklungen (3; 12; 15; 30) gezielt aktiv verändert werden kann.
Elektrische Maschine unter Patentanspruch 1 oder 2, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermagneten (14) auf Leiterabschnitte (12) am Läufer wirken, die nicht in Eisen (13) eingebettet sind.
Elektrische Maschine unter einem der Patentansprüche 1-3 welche ein Wechselstromgenerator ist, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang die Erregerpole zu den Generatorpolen um eine halbe Teilung versetzt sind.
Elektrische Maschine unter einem der Patentansprüche 1-3, welche ein Gleichstromgenerator ist, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerpole und die Generatorpole auf dem Umfang gleich liegen.
Elektrische Maschine unter einem der Patentansprüche 1-5, welche ein Generator ist, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß sie mit unterschiedlichen Polteilungen (8, 9) betrieben werden kann und so eine angestrebte Frequenz mit unterschiedlichen Antriebsdrehzahlen erreicht werden kann.
Elektrische Maschine unter einem der Patentansprüche 1-3, welches eine Bremse ist, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß ein teilweiser Rückgewinn der Bremsenergie erfolgt.