DE102008011895A1

DE102008011895A1 - Rotary frequency converter i.e. waveform transformer for use in airport, has stator provided with set of stator windings, where stator windings are provided on stator assembly and field windings are provided on rotor assembly

Info

Publication number: DE102008011895A1
Application number: DE102008011895A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ueffing; Reinhard Engelhardt
Original assignee: Piller Power Systems GmbH
Current assignee: Piller Group GmbH
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10

Abstract

The converter (3) has a stator (2) provided with a set of stator windings, where one of the stator windings is assigned to a higher frequency in a circumferential direction, and the other winding is provided with a lower frequency. The higher frequency stands in integral relation to the lower frequency. The former and the latter stator windings are provided on a stator assembly (5) and field windings are provided on a rotor assembly (4). The field winding assigned to lower frequency forms two exciter poles on the rotor assembly.

Description

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Frequenzumformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a rotating frequency converter having the features of the preamble of claim 1.

Bei dem rotierenden Frequenzumformer, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird die Eingansleistung entweder von einer Wechselspannung mit der höheren Eingangsfrequenz oder einer Wechselspannung mit der niedrigeren Eingangsfrequenz bereitgestellt. Entsprechend wird die Ausgangsleistung des rotierenden Frequenzumformers entweder als Wechselspannung mit der niedrigeren Frequenz oder als Wechselspannung mit der höheren Frequenz abgegeben.at the rotating frequency converter, the subject of the present Invention is, the input power is either from an AC voltage with the higher input frequency or an AC voltage provided with the lower input frequency. Corresponding The output power of the rotating frequency converter is either as alternating voltage with the lower frequency or as alternating voltage delivered with the higher frequency.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bekannte rotierende Frequenzumformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 werden auch als Einwellenumformer bezeichnet. Die bekannten Einwellenumformer weisen zwei elektrische Maschinen auf, deren Rotoren durch eine gemeinsame Welle drehfest miteinander verbunden sind. Die eine elektrische Maschine treibt als Motor ihren Rotor und damit über die gemeinsame Welle den Rotor der anderen elektrischen Maschine an, die als Generator arbeitet. Durch unterschiedliche Polzahlen beider elektrischer Maschinen kann die als Motor arbeitende elektrische Maschine mit einer Wechselspannung einer anderen Frequenz betrieben werden, als sie von der anderen als Generator arbeitenden elektrischen Maschine abgegeben wird. Durch das Verhältnis der Polzahlen der beiden elektrischen Maschinen können viele verschiedene Verhältnisse zwischen den beiden Frequenzen eingestellt werden, darunter auch ganzzahlige Verhältnisse.Known rotating frequency converter with the characteristics of the generic term of the Claim 1 are also referred to as Einwellenumformer. The known Einwellenumformer have two electrical machines on whose rotors by a common shaft against rotation with each other are connected. The one electric machine drives its own engine Rotor and thus over the common shaft the rotor of other electrical machine that works as a generator. By different numbers of poles of both electrical machines can electric motor operating as a motor with an alternating voltage operated at a different frequency than they are from the other is discharged as a generator operating electric machine. By the ratio of the number of poles of the two electrical Machines can have many different ratios be set between the two frequencies, including integer ratios.

Aus der EP 0 071 852 A1 ist ein rotierender Umformer bekannt, bei dem zwei elektrische Maschinen gleicher Polzahl so zusammengefasst sind, dass sie eine gemeinsame Erregerwicklung auf nur einem Rotorpaket und auch nur ein Statorpaket aufweisen, wobei die Statorwicklung der beiden elektrischen Maschinen aber getrennt sind. Bei diesem rotierenden Umformer soll keine Umwandlung der der Primärwicklung auf dem Statorpaket zugeführten Leistung in mechanische Energie auftreten. Vielmehr soll eine direkte transformatische Übertragung der elektrischen Energie durch Flussverkettung zwischen den beiden Statorwicklungen erfolgen. In jedem Fall wird durch die Zusammenfassung von zwei elektrischen Maschinen gemäß der EP 0 071 852 A1 Baugröße und Baugewicht bei einem rotierenden Einwellenumformer eingespart. Eine Frequenzumformung bei diesem bekannten rotierenden Umformer ist jedoch aufgrund der gleichen Polzahl der beiden zusammengefassten elektrischen Maschinen unmöglich.From the EP 0 071 852 A1 is a rotating converter is known in which two electrical machines of the same number of poles are combined so that they have a common field winding on only one rotor core and also only one stator, but the stator winding of the two electric machines are separated. In this rotating converter, no conversion of the power supplied to the primary winding on the stator core into mechanical energy should occur. Rather, a direct transformational transfer of electrical energy by flux linkage between the two stator windings is to take place. In any case, the summary of two electric machines according to the EP 0 071 852 A1 Size and weight of a rotating Einwellenumformer saved. However, a frequency conversion in this known rotary converter is impossible due to the same number of poles of the two combined electric machines.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rotierenden Frequenzumformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, der sich trotz seiner Funktion als Frequenzumformer ähnlich wie der aus der EP 0 071 852 A1 bekannte Umformer durch eine kleine Baugröße und ein geringes Gewicht auszeichnet.The invention has for its object to provide a rotating frequency converter with the features of the preamble of claim 1, which, despite its function as a frequency converter similar to that of the EP 0 071 852 A1 known converter characterized by a small size and low weight.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen rotierenden Frequenzumformer mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben.The The object of the invention is achieved by a rotating frequency converter solved with the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the new frequency converter are described in the dependent claims 2 to 13.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Der neue rotierende Frequenzumformer weist die erste und die zweite Statorwicklung auf demselben Statorpaket und alle, beiden Frequenzen zugeordneten Erregerwicklungen auf demselben Rotorpaket auf. Dies sind an sich Merkmale des aus der EP 0 071 852 A1 bekannten Umformers. Hiervon unterscheidet sich der neue Frequenzumformer jedoch grundsätzlich dadurch, dass die beiden Statorwicklungen einer höheren Frequenz einerseits und einer niedrigeren Frequenz andererseits zugeordnet sind, also zwei elektrischen Maschinen mit zwei unterschiedlichen Polzahlen entsprechen. Dabei stehen die Polzahlen der beiden elektrischen Maschinen in demselben ganzzahligen Verhältnis wie die beiden Frequenzen, zwischen denen der neue Frequenzumformer umformt. Für den Fachmann ist es völlig überraschend, dass eine solche Frequenzumformung unter Verwendung jeweils nur eines Blechpakets auf der Stator- und der Rotorseite möglich ist. Tatsächlich ist es aber sogar so, dass der neue Frequenzumformer nicht nur irgendwie funktioniert, sondern seine Ausgangsleistung in Form einer sauberen, von Oberwellen weitgehend freien, sinusförmigen Wechselspannung bereitstellt. Dies gilt unabhängig davon, ob der rotierende Frequenzumformer zur Frequenzerhöhung oder zur Frequenzreduzierung verwendet.The new rotating frequency converter has the first and second stator windings on the same stator pack and all the excitation windings associated with both frequencies on the same rotor pack. These are in themselves features of the EP 0 071 852 A1 known converter. However, the new frequency converter fundamentally differs from this in that the two stator windings are assigned a higher frequency on the one hand and a lower frequency on the other hand, that is to say correspond to two electrical machines with two different pole numbers. The numbers of poles of the two electrical machines are in the same integer ratio as the two frequencies between which the new frequency converter transforms. It is completely surprising for a person skilled in the art that such a frequency conversion is possible using only one laminated core on the stator and rotor side. In fact, the new frequency converter not only works somehow, but also provides its output power in the form of a clean, sinusoidal AC voltage that is largely free of harmonics. This applies regardless of whether the rotating frequency converter used for frequency increase or for frequency reduction.

Damit der neue Frequenzumformer seine Ausgangsleistung in Form einer sauberen, d. h. sinusförmigen Wechselspannung mit erhöhter Frequenz ausgeben kann, ist es allerdings erforderlich, dass bei der der höheren Frequenz zugeordneten ersten Statorwicklung in Umfangsrichtung aufeinander folgende Spulen einer Phase, die n magnetischen Perioden entsprechen, in Reihe geschaltet sind, wobei n das ganzzahlige Verhältnis zwischen der höheren und der niedrigeren Frequenz ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass dann, wenn der Anteil des neuen rotierenden Frequenzumformers, der der niedrigeren Frequenz zugeordnet ist, als – zweipolige elektrische Maschine ausgelegt ist, bei jeder Phase alle in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Spulen der Statorwicklung für die höhere Frequenz in Reihe zu schalten sind. Die Reihenschaltung führt dazu, dass Abweichungen von einer gewünschten symmetrischen und sinusförmigen Wechselspannung, die bei den in den einzelnen Spulen der Statorpolwicklungen für die höhere Frequenz induzierten Spannungen zu verzeichnen sind, über die aufeinander folgenden Spulen herausgemittelt werden.In order for the new frequency converter to output its output power in the form of a clean, ie sinusoidal alternating voltage with increased frequency, it is necessary that in the higher frequency associated first stator winding in the circumferential direction successive coils of a phase corresponding to n magnetic periods in series where n is the integer ratio between the higher and lower frequencies. This means, for example, that if the proportion of the new rotating frequency converter, the is associated with a lower frequency, as - two-pole electric machine is designed to be connected in series for each phase all circumferentially successive coils of the stator winding for the higher frequency. The series connection means that deviations from a desired symmetrical and sinusoidal AC voltage, which are to be recorded in the voltages induced in the individual coils of the stator windings for the higher frequency, are averaged out over the successive coils.

Bevorzugt ist es bei dem neuen rotierenden Frequenzumformer, wenn das bereits angesprochene ganzzahlige Verhältnis n zwischen der höheren und der niedrigeren Frequenz gleich 2m ist, wobei m eine positive ganze Zahl größer als 1 ist. Das heißt, bevorzugte Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers vervierfachen, versechsfachen, verachtfachen, verzehnfachen usw. die Eingangsfrequenz oder reduzieren die Eingangsfrequenz auf ein Viertel, ein Sechstel, ein Achtel, ein Zehntel usw. Grundsätzlich kann aber statt eines solchen gradzahligen Verhältnisses zwischen der höheren und der niedrigeren Frequenz bei dem neuen Frequenzumformer auch ein ungradzahliges Verhältnis vorgegeben sein.Prefers it is with the new rotating frequency converter, if that already addressed integer ratio n between the higher and the the lower frequency is equal to 2m, where m is a positive whole Number is greater than 1. That is, preferred Quadruple embodiments of the new frequency converter, six times, eightfold, tenfold, etc. the input frequency or reduce the input frequency to a quarter, one sixth, one Eighth, one-tenth, etc. Basically, but instead such an even relationship between the higher ones and the lower frequency at the new frequency converter also be predetermined odd ratio.

Die Erregerwicklung auf dem Rotorpaket des neuen Frequenzumformers ist in aller Regel für eine Gleichstromerregung vorgesehen. Die Gleichstromerregung kann in bekannter Weise bürstenlos erfolgen.The Exciter winding on the rotor package of the new frequency converter is usually provided for a DC excitation. The DC excitation can brushless in a known manner respectively.

Wie bereits einmal angedeutet wurde, kann die der niedrigeren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung auf dem Rotorpaket zwei Erregerpole ausbilden, so dass die niedriger polige Maschine, die Teil des neuen Frequenzumformers ist, eine zweipolige elektrische Maschine ist. Bekanntermaßen weisen zweipolige elektrische Synchronmaschinen einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. Grundsätzlich kann die der niedrigeren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung auf dem Rotorpaket aber auch beispielsweise vier Erregerpole, d. h. zwei Erregerpolpaare ausbilden. Auch eine noch höhere Anzahl von Erregerpolen bzw. Erregerpolpaaren ist bei der der niedrigeren Frequenz zugeordneten Erregerwicklung möglich, obwohl hiermit in aller Regel keine Vorteile verbunden sind.As has already been hinted at once, that of the lower frequency associated excitation winding on the rotor core two exciter poles train so that the lower pole machine, which is part of the new Frequency converter is a bipolar electric machine. As is known, two-pole electrical synchronous machines a particularly high efficiency. Basically the lower frequency associated exciter winding on the Rotor package but also, for example, four exciter poles, d. H. two Training exciter pole pairs. Also an even higher number of excitation poles or excitation pole pairs is at the lower Frequency associated excitation winding possible, although hereby As a rule, no benefits are associated.

Besonders interessante Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers weisen keine der höheren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung auf dem Rotorpaket auf, die eine der höheren Frequenz entsprechende Anzahl von Erregerpolen ausbildet. Es sind sogar Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers möglich, bei denen überhaupt keine der höheren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung auf dem Rotorpaket vorhanden ist. Zu den besonders interessanten Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers gehören aber auch solche, bei denen eine der höheren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung auf dem Rotorpaket nur Korrekturpole ausbildet, deren Anzahl kleiner ist, als sie der höheren Frequenz entspricht. Dies bedeutet beispielsweise, dass dann, wenn die der niedrigeren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung zwei Erregerpole ausbildet und n das ganzzahlige Verhältnis zwischen der höheren Frequenz und der niedrigeren Frequenz ist, die Anzahl der Korrekturpole kleiner als 2n ist. In aller Regel wird die Anzahl der Korrekturpole kleiner als n sein. Häufig beträgt sie nur 2.Especially interesting embodiments of the new frequency converter do not have the higher frequency associated exciter winding on the rotor package, which corresponds to a higher frequency Number of excitation poles is formed. There are even embodiments the new frequency converter possible, where ever no exciter winding associated with the higher frequency is present on the rotor package. Among the most interesting Embodiments of the new frequency converter belong but also those in which one of the higher frequency associated exciter winding on the rotor package only forms correction poles whose number is smaller is, as it corresponds to the higher frequency. this means for example, that if that of the lower frequency assigned Excitation winding two exciter poles and n forms the integer Ratio between the higher frequency and the lower frequency, the number of correction poles is less than 2n is. As a rule, the number of correction poles is less than be n. Often it is only 2.

Ein weiteres Merkmal der besonders interessanten Ausführungsformen des neuen Frequenzumformers ist es, dass bei dem Rotorpaket im Bereich aller Pole der der niedrigeren Frequenz zugeordneten Erregerwicklung, die einen Namen aufweisen, jeweils mindestens ein ungleichnamiger Pol weggelassen ist, der der höheren Frequenz zugeordnet wäre. Grundsätzlich weist das Rotorpaket des neuen Frequenzumformers dann zwar Pole auf, deren Anordnung und Breite der höheren Frequenz entspricht, doch fehlen zumindest einzelne dieser Pole. Konkret sind beispielsweise solche Pole weggelassen, die innerhalb eines N-Pols, der der niedrigeren Frequenz zugeordnet ist, als der höheren Frequenz zugeordnete S-Pole ausgebildet wären. Dieses Prinzip kann soweit getrieben werden, dass bei dem Rotorpaket im Bereich jedes Pols der der niedrigeren Frequenz zugeordneten Erregerwicklung alle ungleichnamigen Pole weggelassen sind, die der höheren Frequenz zugeordnet wären.One Another feature of the particularly interesting embodiments of the new frequency converter is that in the rotor package in the range of all Pole of the lower frequency associated exciter winding, which have a name, in each case at least one non-identical one Pol is omitted, which is assigned to the higher frequency would. Basically, the rotor package of the new Although frequency converter then poles on, their arrangement and width the higher frequency corresponds, but at least missing single of these poles. Specifically, for example, such poles are omitted, those within an N pole that are assigned to the lower frequency is formed as the higher frequency associated S-poles would. This principle can be driven so far that at the rotor package in the area of each pole of the lower frequency assigned exciter winding omitted all unlike poles are assigned to the higher frequency.

Zusätzlich kann die der niedrigeren Frequenz zugeordnete Erregerwicklung im Bereich von weggelassenen Polen oder Polpaaren angeordnet sein, die der höheren Frequenz zugeordnet wären. Das heißt, der Platz für die Anbringung der der niedrigeren Frequenz zugeordneten Erregerwicklung kann durch zusätzliches Weglassen von Polen oder Polpaaren bei dem Rotorpaket geschaffen werden, die der höheren Frequenz zugeordnet wären.additionally can the lower frequency associated excitation winding in Range of omitted poles or pole pairs, which would be associated with the higher frequency. The means the place for the attachment of the lower Frequency associated exciter winding can by additional Omission of poles or pole pairs created in the rotor package which would be associated with the higher frequency.

Da bei dem neuen Frequenzumformer der Rotor nicht mit einer Welle verbunden ist, um über diese irgendwelche Drehmomente zu übertragen, sondern nur innerhalb des Stators rotieren muss, bestehen große Freiheiten in Bezug auf die Drehlagerung des Rotors und damit auch in Bezug auf die Anbringung der Erregerwicklungen auf dem Rotor. So kann eine Erregerwicklung auf dem Rotorpaket über die Rotorachse gewickelt sein, wobei der Rotor dann angesetzte Achsstumpfe aus nicht magnetischem Material aufweisen sollte, um keinen Kurzschluss des magnetischen Flusses herbeizuführen.There in the new frequency converter, the rotor is not connected to a shaft is to transfer over these any torques, but only has to rotate within the stator, there are large Freedoms in relation to the rotary bearing of the rotor and thus also with respect to the attachment of the excitation windings on the rotor. Thus, a field winding on the rotor package on the Rotor axis to be wound, the rotor then struck Achsstumpfe should be made of non - magnetic material, so as not to short the magnetic flux.

Eine kommerziell interessante Ausführungsform des neuen Frequenzumformers wandelt eine Eingangswechselspannung von 50 Hz in eine Ausgangswechselspannung von 400 Hz um. Derartige Frequenzumformer werden beispielsweise auf Flughäfen benötigt, auf denen ein Energieversorgungsnetz mit einer Ausgangswechselspannung einer Frequenz von 50 Hz zur Verfügung steht und auf dem Flugzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen sind, deren Bordnetz mit einer Wechselspannung von 400 Hz läuft.A commercially interesting embodiment of the new frequency converter converts an AC input voltage of 50 Hz into an OFF alternating voltage of 400 Hz. Such frequency converters are needed, for example, at airports on which a power supply network with an AC output voltage of a frequency of 50 Hz is available and on the aircraft to be supplied with electrical energy, the electrical system runs with an AC voltage of 400 Hz.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The in the introduction to the description advantages of features and combinations of several Features are merely exemplary and may be alternative or cumulatively without compelling advantages of embodiments of the invention must be achieved. Other features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several Components to each other and their relative arrangement and operative connection - to remove. The combination of features of different embodiments the invention or features of different claims is also different from the chosen relationships the claims possible and is hereby stimulated. This also applies to such features, in separate drawings are shown or mentioned in their description. These Features may also be consistent with features of different claims be combined. Likewise, in the claims listed features for further embodiments the invention omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Dabei betreffen alle diese Ausführungsbeispiele den Fall eines Frequenzumformers, bei dem das ganzzahlige Verhältnis n zwischen der höheren Frequenz und der niedrigeren Frequenz acht beträgt. Das ganzzahlige Verhältnis n kann aber sowohl größer als auch kleiner als acht sein und auch sowohl gradzahliger als auch ungradzahlige Werte annehmen.in the Below, the invention will be described with reference to various in the figures illustrated preferred embodiments further explained and described. All of these embodiments relate to the Case of a frequency converter, where the integer ratio n between the higher frequency and the lower frequency is eight. The integer ratio n can but be both greater and less than eight and also accept both even and odd values.

1 zeigt eine axiale Draufsicht auf einen Rotor und einen Stator eines neuen Frequenzwandlers in einer ersten Ausführungsform. 1 shows an axial plan view of a rotor and a stator of a new frequency converter in a first embodiment.

2 zeigt den Rotor und den Stator gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht. 2 shows the rotor and the stator according to 1 in a perspective view.

3 zeigt ein Beispiel für die Erregung des Rotors und des Stators gemäß den 1 und 2. 3 shows an example of the excitation of the rotor and the stator according to the 1 and 2 ,

4 zeigt eine axiale Draufsicht auf den Rotor und den Stator einer zweiten Ausführungsform des neuen Frequenzumformers. 4 shows an axial plan view of the rotor and the stator of a second embodiment of the new frequency converter.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors und des Stators gemäß 4. 5 shows a perspective view of the rotor and the stator according to 4 ,

6 zeigt ein Beispiel der Erregung des Rotors und des Stators gemäß den 4 und 5. 6 shows an example of the excitation of the rotor and the stator according to the 4 and 5 ,

7 zeigt ein zweites Beispiel der Erregung des Rotors und des Stators gemäß den 4 und 5. 7 shows a second example of the excitation of the rotor and the stator according to the 4 and 5 ,

8 zeigt ein drittes Beispiel der Erregung des Rotors und des Stators gemäß den 4 und 5. 8th shows a third example of the excitation of the rotor and the stator according to the 4 and 5 ,

9 zeigt eine axiale Draufsicht auf den Rotor und den Stator einer dritten Ausführungsform des neuen Freqenzumwandlers. 9 shows an axial plan view of the rotor and the stator of a third embodiment of the new Freqenzumwandlers.

10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors und des Stators gemäß 9. 10 shows a perspective view of the rotor and the stator according to 9 ,

11 zeigt eine konkrete Ausführungsform des Rotors gemäß den 9 und 10 mit einer darauf angeordneten Erregerwicklung und daran angesetzten Achsstümpfen. 11 shows a concrete embodiment of the rotor according to the 9 and 10 with an excitation winding arranged thereon and stub axles attached thereto.

12 zeigt einen Schnitt durch den Rotor gemäß 11. 12 shows a section through the rotor according to 11 ,

13 zeigt den über den Rotorumfang abgewickelten Erregerfluss des Rotors gemäß 11. 13 shows the unwound over the rotor circumference excitation flux of the rotor according to 11 ,

14 zeigt die durch den Rotor gemäß 11 in einzelnen Spulen der beiden zugehörigen Statorwicklungen über eine Rotorumdrehung induzierten Spannungen. 14 shows the through the rotor according to 11 in individual coils of the two associated stator windings via a rotor rotation induced voltages.

15 zeigt die durch den Rotor gemäß 11 in allen Spulen der beiden zugehörigen Statorwicklungen über eine Rotorumdrehung induzierten Spannungen. 15 shows the through the rotor according to 11 in all coils of the two associated stator windings across a rotor revolution induced voltages.

16 zeigt einen Schenkelpolschnitt durch einen Rotor einer vierten Ausführungsform des neuen Frequenzumwandlers; und 16 shows a salient pole section through a rotor of a fourth embodiment of the new frequency converter; and

17 zeigt einen Schenkelpolschnitt durch den Rotor einer fünften Ausführungsform des neuen Frequenzumwandlers. 17 shows a salient pole through the rotor of a fifth embodiment of the new frequency converter.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Der in den 1 und 2 anhand seines Rotors 1 und seines Stators 2 skizzierte rotierende Frequenzumformer 3 weist nur ein einziges Rotorpaket 4 und ein einziges Statorpaket 5 auf. Tatsächlich sind in den 1 und 2 von dem Rotor 1 und dem Stator 2 nur das Rotorpaket 4 und das Statorpaket 5 wiedergegeben. Das Statorpaket weist 48 Nuten 6 auf, in die bei dem vollständigen Frequenzumformer 3 zwei galvanisch voneinander getrennte Statorwicklungen eingelegt sind. Zum einen handelt es sich um eine herkömmliche Statorwicklung einer zweipoligen und dreiphasigen Synchronmaschine. Zum anderen handelt es sich um eine Statorwicklung einer 16-poligen und dreiphasigen Synchronmaschine, bei der die einzelnen Spulen jeder Phase miteinander in Reihe geschaltet sind. Das Rotorpaket 4 bildet 14 einzelne Pole 7 aus, die aber in einem solchen Raster über den Umfang des Rotors 1 verteilt sind, das sie eigentlich 16 Polen entsprechen würden, wobei jedoch ein Paar von einander gegenüber liegenden Polen weggelassen ist. Auf diese Weise ist Platz für eine Erregerwicklung für eine zweipolige Erregung des Rotors 4 neben einer Erregerwicklung für die einzelnen Pole 7 des Rotors geschaffen.The in the 1 and 2 by his rotor 1 and his stator 2 sketched rotating frequency converter 3 has only a single rotor package 4 and a single stator pack 5 on. In fact, in the 1 and 2 from the rotor 1 and the stator 2 only the rotor package 4 and the stator pack 5 played. The stator pack has 48 slots 6 on, in the case of the complete frequency converter 3 two galvanically separated stator windings are inserted. First, it is a conventional stator winding of a two-pole and three-phase synchronous machine. On the other hand, it is a stator winding of a 16-pole and three-phase synchronous machine, in which the individual coils of each phase are connected in series with each other. The rotor package 4 makes 14 individual poles 7 but in such a grid over the circumference of the rotor 1 that they would actually correspond to 16 poles, but with a pair of poles facing each other being omitted. In this way there is room for a field winding for a bipolar excitation of the rotor 4 in addition to a field winding for the individual poles 7 created by the rotor.

Ein Beispiel für die entsprechende Erregung des Rotors 1 und des Stators 2 bei bestimmten Erregerströmen ist in 3 wiedergegeben. Dabei ist die Erregerwicklung 8 für die zweipolige Erregung des Rotors 1 eingezeichnet. Im Gegensatz zu den 1 und 2 sind auch die einzelnen Nuten 6 mit abwechselnd unterschiedlicher Tiefe wiedergegeben. Die in 3 eingezeichneten Feldlinien 9 des magnetischen Flusses zeigen, dass einige der einzelnen Pole 7 kaum magnetischen Fluss führen. Und zwar handelt es sich hierbei um die in Bezug auf die zweipolige Erregung des Rotors 1 jeweils ungleichnamigen Pole der vielpoligen, vom Prinzip her 16-poligen Erregung des Rotors 1.An example of the corresponding excitation of the rotor 1 and the stator 2 at certain excitation currents is in 3 played. Here is the exciter winding 8th for the bipolar excitation of the rotor 1 located. In contrast to the 1 and 2 are also the individual grooves 6 reproduced with alternately different depths. In the 3 drawn field lines 9 of the magnetic flux show that some of the individual poles 7 hardly lead magnetic flux. These are the two-pole excitation of the rotor 1 respectively unlike poles of the multipolar, in principle 16-pole excitation of the rotor 1 ,

Hieraus wurde für den Frequenzumwandler 3, der anhand seines Rotors 1 und seines Stators 2 in den 4 und 5 skizziert ist, abgeleitet, dass die in Bezug auf die zweipolige Erregung des Rotors 1 jeweils ungleichnamigen Pole auch gänzlich weggelassen werden können. Entsprechend weist das Rotorpaket 4 des Rotors 1 gemäß den 4 und 5 nur vier Pole im Bereich des einen Pols der zweipoligen Erregung des Rotors 1 und drei Pole im Bereich des anderen Pols der zweipoligen Erregung des Rotors 1 auf. Darüber hinaus ist auf eine zusätzliche vielpolige Erregung des Rotors 1 neben seiner zweipoligen Erregung verzichtet. Stattdessen ist nur noch ein Paar von aktiv erregten Korrekturpolen 10 mit den Abmessungen der einzelnen Pole 7 in Umfangsrichtung des Rotors 1 vorgesehen. Diese Korrekturpole 10 befinden sich zwischen in dem Rotorpaket 4 für die Erregerwicklung für die zweipolige Erregung geschaffenen Freiräumen 11.This became for the frequency converter 3 , by his rotor 1 and his stator 2 in the 4 and 5 outlined, that is in relation to the bipolar excitation of the rotor 1 each unlike poles can also be omitted entirely. Accordingly, the rotor core 4 of the rotor 1 according to the 4 and 5 only four poles in the region of the one pole of the bipolar excitation of the rotor 1 and three poles in the region of the other pole of the bipolar excitation of the rotor 1 on. In addition, there is an additional multipolar excitation of the rotor 1 dispensed with his bipolar arousal. Instead, there is only one pair of active energized correction poles 10 with the dimensions of each pole 7 in the circumferential direction of the rotor 1 intended. These correction poles 10 are located between in the rotor package 4 for the excitation winding for the bipolar excitation created free spaces 11 ,

Die 6 bis 8 skizzieren unterschiedliche Erregungen des Rotors 1 und des Stators 2 des Frequenzumformers 3 gemäß den 4 und 5 bei unterschiedlichen Strömen durch die Erregerwicklung für die zweipolige Erregung des Rotors 1 und der Erregerwicklung um die Korrekturpole 10. Dabei entspricht 6 einem kleinen Strom durch die Erregerwicklung für die Korrekturpole 10 mit gegenläufiger Richtung zum dem Strom durch die Erregerwicklung für die zweipolige Erregung. 7 entspricht einem betragsmäßig gleichen Strom durch die Erregerwicklung für die Korrekturpole 10 wie in 6, aber mit gleicher Richtung wie der Strom durch die Erregerwicklung für die zweipolige Erregung; und 8 entspricht einem großen Strom durch die Erregerwicklung für die Korrekturpole 10 mit gleicher Stromrichtung wie in 7. Zu sehen ist, dass durch die Korrekturpole 10 die grundsätzliche zweipolige Erregung des Rotors 1 nicht beeinträchtigt wird, aber das Erregungsspektrum über den Umfang des Rotors 1 variiert wird.The 6 to 8th sketch different excitations of the rotor 1 and the stator 2 of the frequency converter 3 according to the 4 and 5 at different currents through the exciter winding for the bipolar excitation of the rotor 1 and the excitation winding around the correction poles 10 , It corresponds 6 a small current through the field winding for the correction poles 10 with opposite direction to the current through the excitation winding for bipolar excitation. 7 corresponds to a magnitude same current through the exciter winding for the correction poles 10 as in 6 but in the same direction as the current through the excitation winding for the bipolar excitation; and 8th corresponds to a large current through the excitation winding for the correction poles 10 with the same current direction as in 7 , It can be seen that through the correction poles 10 the fundamental bipolar excitation of the rotor 1 is not affected, but the excitation spectrum over the circumference of the rotor 1 is varied.

Die 9 und 10 zeigen den Rotor 1 und den Stator 2 eines Frequenzumformers, dessen konkreter Aufbau in Bezug auf den Rotor 1 in den folgenden 11 und 12 dargestellt ist. Das Rotorpaket 4 weist dabei Freiräume 11 für die Rotorwicklung für die zweipolige Erregung des Rotors 1 auf, die durch Weglassen von Einzelpolen 7 geschaffen sind. Es sind dort auch keine Korrekturpole 10 gemäß den 4 und 5 vorhanden. Im Bereich beider Pole der zweipoligen Erregung des Rotors 1 sind bei dem Rotorpaket 4 jeweils alle ungleichnamigen Pole weggelassen, so dass der gesamte Rotor 1 nur sieben einzelne Pole 7 aufweist. Während der Anteil des neuen Frequenzumformers 3, der der niedrigeren Frequenz zugeordnet ist, auch hier als zweipolig erregte elektrische Maschine arbeitet, kann man den Teil des Frequenzumwandlers, der der höheren Frequenz zugeordnet ist, in gewisser Weise auch als eine Art Reluktanzmaschine betrachten, bei der die reine Variation der Breite des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator neben Erregung des Rotors durch die darauf vorgesehene Erregerwicklung eine nicht unwichtige Bedeutung hat.The 9 and 10 show the rotor 1 and the stator 2 a frequency converter, its concrete structure with respect to the rotor 1 in the following 11 and 12 is shown. The rotor package 4 has free spaces 11 for the rotor winding for the bipolar excitation of the rotor 1 on, by omitting single poles 7 are created. There are also no correction poles there 10 according to the 4 and 5 available. In the area of both poles of the bipolar excitation of the rotor 1 are in the rotor package 4 each of the unlike poles is omitted, leaving the entire rotor 1 only seven individual poles 7 having. While the share of the new frequency converter 3 , which is associated with the lower frequency, here too operates as a bipolar excited electrical machine, one can, in a way, also consider the part of the frequency converter associated with the higher frequency as a kind of reluctance machine, in which the pure variation of the width of the air gap between the rotor and the stator in addition to excitation of the rotor by the excitation winding provided thereon has a not insignificant meaning.

Aus den Zeichnungen des Rotors 1 gemäß den 11 und 12 geht der genauere Aufbau des Rotorpakets 4 und der darauf angeordneten Erregerwicklung 8 für die zweipolige Erregung des Rotors 1 hervor. Auch die Asymmetrie des Rotorpakets 4 in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Pole 7 in Bezug auf die beiden Erregerpole der zweipoligen Erregung auf den beiden Seiten der durch die Erregerwicklung 8 definierten Ebene, wird hier deutlich. Die Aufteilung jedes Erregerpols der zweipoligen Erregung des Rotors 1 in eine unterschiedliche Anzahl von einzelnen Polen 7 hat zur Folge, dass jeder der drei einzelnen Pole 7 des einen Erregerpols der zweipoligen Erregung 1 1/3-mal so viel magnetischen Fluss führt, wie jeder der vier einzelnen Pole 7 des anderen Erregerpols der zweipoligen Erregung. Die Erregerwicklung 8 ist bei dem Rotor 1 gemäß den 11 und 12 über die Rotorachse 12 gewickelt. Achsstummel 13 und 14 zur Drehlagerung des Rotors 1 gegenüber dem hier nicht dargestellten Stator sind axial mit Schrauben 15 an das Rotorpaket 4 angeschraubt. Dabei bestehen die Achsstummel 13 ebenso wie an das Rotorpaket angesetzte Gegenstücke 16 aus diamagnetischem Material, um in diesem Bereich einen Kurzschluss des magnetischen Flusses zu vermeiden.From the drawings of the rotor 1 according to the 11 and 12 goes the more precise structure of the rotor package 4 and the exciter winding arranged thereon 8th for the bipolar excitation of the rotor 1 out. Also the asymmetry of the rotor package 4 in terms of the arrangement of each pole 7 with respect to the two excitation poles of bipolar excitation on both sides of the excitation winding 8th defined level, becomes clear here. The division of each exciter pole of the bipolar excitation of the rotor 1 in a different number of individual poles 7 As a result, each of the three individual poles 7 one excitation pole of bipolar excitation 1 1/3 times as much magnetic flux leads, as each of the four individual poles 7 of the other exciter pole of bipolar excitation. The excitation winding 8th is at the rotor 1 according to the 11 and 12 over the rotor axis 12 wound. stub axle 13 and 14 to the pivot bearing of rotor 1 opposite to the stator, not shown here are axially with screws 15 to the rotor package 4 screwed. There are the stub axles 13 as well as to the rotor package set counterparts 16 of diamagnetic material to avoid shorting the magnetic flux in this area.

13 beschreibt den Erregerfluss, der von dem Rotor gemäß den 11 und 12 ausgeht, aufgetragen über der Position am Rotorumfang in Grad. Entsprechend der Anzahl der Einzelpole 7 treten sieben Erregungsereignisse auf. Hiervon haben drei ein hier positives Vorzeichen und weisen eine relative Amplitude von 1 1/3 auf, während vier ein negatives Vorzeichen aufweisen und eine relative Amplitude von 1. Die Periodendauer der Erregungsereignisse entspricht einer Gesamtzahl von 16 Erregungsereignissen, wobei jedoch fünf Erregungsereignisse mit positiven Vorzeichen und vier Erregungsereignisse mit negativen Vorzeichen fehlen. 13 describes the exciting current flowing from the rotor according to the 11 and 12 starting at the position on the rotor circumference in degrees. According to the number of single poles 7 There are seven excitement events. Of these, three have a positive sign here and have a relative amplitude of 1 1/3, while four have a negative sign and a relative amplitude of 1. The period of the excitement events corresponds to a total of 16 excitation events, but five excitation events with positive signs and four excitatory events with negative signs are missing.

14 skizziert die durch den rotierenden Rotor gemäß den 11 und 12 in einzelnen Spulen induzierte Spannung. Dabei gibt die Kurve 17 die Spannung wieder, die von dem rotierenden Rotor in einer einzelnen Spule der der niedrigen Frequenz zugeordneten Statorwicklung induziert wird, während die Kurve 18 die in einer einzelnen Spule der Statorwicklung, die der höheren Frequenz zugeordnet ist, induziert wird. Während die Kurve 17 bereits grob einen Sinusverlauf mit korrektem Vorzeichenwechsel beschreibt, zeigt die Kurve 18 insbesondere keinen korrekten Vorzeichenwechsel mit der dem angestrebten Frequenzunterschied entsprechenden Häufigkeit. 14 outlined by the rotating rotor according to the 11 and 12 voltage induced in individual coils. There is the curve 17 the voltage induced by the rotating rotor in a single coil of the low frequency associated stator winding during the turn 18 which is induced in a single coil of the stator winding associated with the higher frequency. While the curve 17 already roughly describes a sinusoidal waveform with correct sign change, the curve shows 18 in particular no correct change of sign with the frequency corresponding to the desired frequency.

Dieses Bild ändert sich jedoch, wenn die in den jeweiligen kompletten Wicklungen induzierten Spannungen betrachtet werden. Die in 15 aufgetragene Kurve 19 gibt die bei einer Drehung des Rotors in der Statorwicklung für die niedrige Frequenz induzierte Spannung wieder. Diese weist einen nahezu glatten Sinusverlauf auf. Dies gilt hier auch für die Kurve 20, die die in allen in Reihe geschalteten einzelnen Spulen der Statorwicklung für die höhere Frequenz gemeinsam induzierte Spannung über eine Umdrehung des Rotors wiedergibt. Die Kurve 20 weist sowohl einen glatten sinusförmigen Verlauf als auch den korrekten Vorzeichenwechsel mit der doppelten Frequenz und eine konstant bleibende Amplitude auf. Konkrete Messungen an einem rotierenden Frequenzumformer mit dem Rotor gemäß den 11 und 12 haben diese zunächst errechneten Ergebnisse bestätigt. Der Frequenzumformer liefert sowohl bei der Frequenzerhöhung als auch bei der Frequenzerniedrigung eine saubere sinusförmige Ausgangsspannung ohne relevante Anteile von störenden Oberwellen.However, this picture changes as the voltages induced in the respective complete windings are considered. In the 15 plotted curve 19 represents the voltage induced upon rotation of the rotor in the stator winding for the low frequency. This has a nearly smooth sinusoidal course. This also applies here to the curve 20 which reproduces in common the voltage induced across all of the series-connected individual coils of the stator winding for the higher frequency over one revolution of the rotor. The curve 20 has both a smooth sinusoidal waveform and the correct sign change with twice the frequency and a constant amplitude. Concrete measurements on a rotating frequency converter with the rotor according to 11 and 12 have confirmed these initially calculated results. The frequency converter delivers a clean sinusoidal output voltage with no relevant components of interfering harmonics, both in the frequency increase and in the frequency reduction.

Der in 16 skizzierte Rotor 1 ist für eine vierpolige Erregung und eine entsprechende Erregerwicklung vorgesehen. Hierzu umfassen die Freiräume 11 Räume 21 für die Erregerwicklung zweier einander gegenüberliegender Erregerpole 23 und Räume 22 für die Erregerwicklung zweier weiterer einander gegenüberliegender Erregerpole 24, die sich am Außenumfang des Rotors 1 um die Rotorachse 12 mit den Erregerpolen 23 abwechseln und bezüglich der Erregerpole 23 ungleichnamig sind. Von den einzelnen Polen 7 des Rotors 1 sind im Bereich jedes Erregerpols 23 vier und im Bereich jedes Erregerpols 24 drei vorgesehen. Dabei sind analog zu dem Rotor gemäß den 9 bis 15 im Bereich jedes Erregerpols 23 bzw. 24 die jeweils ungleichnamigen Pole weggelassen. In Bezug auf die einzelnen Pole 7 ist der Rotor 1 daher trotz der nur vorhandenen vierzehn Pole 7 32-polig. Der Rotor 1 ist damit wie auch die bisherigen Ausführungsbeispiele des Frequenzumformers zur Hochsetzung der Frequenz einer Eingangswechselspannung um einen Faktor 8, also beispielsweise von 50 Hz in eine Ausgangswechselspannung von 400 Hz vorgesehen.The in 16 sketched rotor 1 is intended for a four-pole excitation and a corresponding excitation winding. These include the open spaces 11 rooms 21 for the excitation winding of two mutually opposite exciter poles 23 and rooms 22 for the excitation winding of two further mutually opposite exciter poles 24 located on the outer circumference of the rotor 1 around the rotor axis 12 with the excitation poles 23 alternate and with respect to the exciter poles 23 are unequal names. From the individual poles 7 of the rotor 1 are in the range of each exciter pole 23 four and in the region of each excitation pole 24 three provided. Here are analogous to the rotor according to the 9 to 15 in the area of each exciter pole 23 respectively. 24 the respective unlike poles omitted. In terms of individual poles 7 is the rotor 1 therefore despite the only fourteen poles available 7 32 poles. The rotor 1 is thus provided as well as the previous embodiments of the frequency converter for increasing the frequency of an input AC voltage by a factor of 8, so for example from 50 Hz in an AC output voltage of 400 Hz.

Demgegenüber zeigt 17 einen Rotor 1, der zwar grundsätzlich genauso aufgebaut ist wie der Rotor 1 gemäß 16, bei dem aber die einzelnen Pole 7 einen solchen Abstand in Umfangsrichtung um die Rotorachse 12 voneinander aufweisen, dass sie einer 28-poligen Anordnung entsprechen. Angesichts der auch hier 4-poligen Erregung ist der Rotor 1 damit nicht wie die bisherigen Ausführungsbeispiele für die Hochsetzung der Erregerfrequenz um einen Faktor 8 sondern um einen Faktor 7 vorgesehen.In contrast, shows 17 a rotor 1 , which basically has the same structure as the rotor 1 according to 16 in which, however, the individual poles 7 such a distance in the circumferential direction about the rotor axis 12 have from each other that they correspond to a 28-pin arrangement. In view of the here also 4-pole excitement is the rotor 1 so that not as the previous embodiments for the increase of the exciter frequency by a factor of 8 but by a factor of 7 provided.

11: Rotorrotor
22: Statorstator
33: Frequenzumformerfrequency
44: Rotorpaketrotor pack
55: Statorpaketstator
66: Nutgroove
77: Polpole
88th: Erregerwicklungexcitation winding
99: Feldliniefield line
1010: KorrekturpolKorrekturpol
1111: Freiraumfree space
1212: Rotorachserotor axis
1313: Achsstummelstub axle
1414: Achsstummelstub axle
1515: Schraubescrew
1616: Ansatzstückextension
1717: KurveCurve
1818: KurveCurve
1919: KurveCurve
2020: KurveCurve
2121: Raum für Erregerpolwicklungroom for exciter pole winding
2222: Raum für Erregerpolwicklungroom for exciter pole winding

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 0071852 A1 [0004, 0004, 0005, 0007]

Claims

A rotating frequency converter comprising a stator and a rotor, having a first stator winding associated with a higher frequency and a second stator winding associated with a lower frequency, having at least one field winding on the rotor and having a stator core and a rotor core, wherein the higher frequency is in an integer ratio to the lower frequency, characterized in that the first stator winding and the second stator winding on the same stator ( 5 ) and all, both frequencies associated exciter windings ( 8th ) on the same rotor package ( 4 ) are provided.

Frequency converter according to Claim 1, characterized that at the higher frequency associated with the first stator winding circumferentially successive coils of a phase, the n correspond to magnetic periods, are connected in series, wherein n is the integer ratio between the higher ones and the lower frequency is.

Frequency converter according to one of the claims 1 and 2, characterized in that n is equal to 2m, where n is the integer ratio between the higher and the higher the lower frequency and where m is a positive integer is greater than 1.

Frequency converter according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the exciter winding ( 8th ) on the rotor package ( 4 ) is provided for a DC excitation.

Frequency converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the lower frequency associated exciter winding ( 8th ) on the rotor package ( 4 ) trains two exciter poles.

Frequency converter according to one of claims 1 to 5, characterized in that no higher-frequency associated excitation winding on the rotor core ( 4 ), which forms a higher frequency corresponding number of exciter poles.

Frequency converter according to Claim 6, characterized that none at all associated with the higher frequency Excitation winding on the rotor core is present.

Frequency converter according to claim 6, characterized in that a higher frequency associated exciter winding on the rotor core ( 4 ), the correction poles ( 11 ) whose number is smaller than that corresponding to the higher frequency.

Frequency converter according to one of claims 6 to 8, characterized in that in the rotor package ( 4 ) in the region of all the excitation poles of the lower frequency associated excitation winding ( 8th ), which have a name, at least one unlike pole ( 7 ) is omitted, which would be associated with the higher frequency.

Frequency converter according to claim 9, characterized in that in the rotor package ( 4 ). in the region of all excitation poles of the lower frequency associated exciter winding ( 8th ) all unlike poles ( 7 ) are omitted, which would be associated with the higher frequency.

Frequency converter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the lower frequency associated exciter winding ( 8th ) in the range of omitted poles ( 7 ) or pole pairs, which would be associated with the higher frequency.

Frequency converter according to one of Claims 1 to 11, characterized in that a field winding ( 8th ) on the rotor package ( 4 ) over the rotor axis ( 12 ) is wound, wherein the rotor ( 11 ) axle stubs ( 13 ) 14 ) of non-magnetic material.

Frequency converter according to Claim 1, characterized that the integer ratio between the higher Frequency and the lower frequency is eight.