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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine eine rotierbar angeordnete Welle aufweist, wobei die elektrische Maschine eine ruhend angeordnete Hauptwicklung und eine drehfest mit der Welle verbundene Erregerwicklung aufweist, wobei die elektrische Maschine zur elektrischen Energieversorgung der Erregerwicklung eine Erregereinrichtung aufweist. Die elektrische Maschine kann dabei als elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder als Elektromotor ausgebildet sein. Elektrische Maschinen, bei denen eine permanente Energieversorgung der Erregerwicklung durch eine Erregereinrichtung erfolgt, werden auch als elektrisch erregte Synchronmaschinen bezeichnet.
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Aus der Veröffentlichung ”Erregermaschinen mit rotierender Gleichrichteranordnung (RG Erregermaschinen)” der Siemens AG und der Veröffentlichung ”Bürstenlose Synchronmaschinen”, VDE-Fachberichte 1970, 26. Bd., VDE-Verlag GmbH, sind Erregereinrichtungen für elektrische Maschinen bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten dreiphasigen Erregereinrichtungen sind komplex aufgebaut und benötigen einen hohen Platzbedarf.
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Aus der
DE 10 2008 053 722 A1 ist eine Synchronmaschine bekannt, die eine ruhende Primärspule und eine drehfest mit einer Welle der Synchronmaschine verbundene Sekundärspule aufweist, wobei ein Gleichrichter zwischen der Sekundärspule und einer Erregerspule der Synchronmaschine vorgesehen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer einfach aufgebauten platzsparenden Erregereinrichtung zur elektrischen Energieversorgung der Erregerwicklung der Maschine schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine eine rotierbar angeordnete Welle aufweist, wobei die elektrische Maschine eine ruhend angeordnete Hauptwicklung und eine drehfest mit der Welle verbundene Erregerwicklung aufweist, wobei die elektrische Maschine zur elektrischen Energieversorgung der Erregerwicklung eine einphasige Erregereinrichtung aufweist, wobei die Erregereinrichtung eine ruhend angeordnete Primärspule und eine mit der Welle drehfest verbundene Sekundärspule aufweist, wobei die Wicklungsrichtung der Primär- und Sekundärspule in tangentialer Richtung um die Welle verläuft, wobei elektrische Energie von der Primärspule auf die Sekundärspule transformatorisch übertragbar ist, wobei die Sekundärspule über eine Gleichrichterschaltung elektrisch mit der Erregerwicklung verbunden ist, wobei die Erregereinrichtung eine ruhend angeordnete Primärausgleichsspule und eine mit der Welle drehfest verbundene Sekundärausgleichsspule aufweist, wobei die Wicklungsrichtung der Primär- und Sekundärausgleichsspule in tangentialer Richtung um die Welle verläuft, wobei die Primärausgleichsspule mit der Primärspule elektrisch derart in Reihe geschalten ist, dass ein durch die Primärspule und die Primärausgleichsspule fließender elektrischer Strom durch die Primärausgleichsspule in entgegengesetzte Richtung wie durch die Primärspule fließt, wobei die Sekundärausgleichsspule mit der Sekundärspule elektrisch derart in Reihe geschalten ist, dass ein durch die Sekundärspule und die Sekundärausgleichsspule fließender elektrischer Strom durch die Sekundärausgleichsspule in entgegengesetzte Richtung wie durch die Sekundärspule fließt.
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Durch das Vorsehen einer Primärausgleichsspule und einer Sekundärausgleichsspule kann die von der Erregereinrichtung erzeugte magnetische Gesamtdurchflutung stark reduziert werden, so dass durch die Erregereinrichtung in die Welle induzierte Wirbelströme stark reduziert werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Sekundärspule aus einem spiralförmig gewickelten Kupferband besteht. Dies stellt eine besonders einfache Ausbildung der Sekundärspule dar.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Primärspule um die Sekundärspule angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau der Erregereinrichtung ermöglicht.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Primärspule und die Sekundärspule in axiale Richtung nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau der Erregereinrichtung ermöglicht.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sekundärspule am axialen Ende der Welle an der in radiale Richtung verlaufenden Seitenfläche der Welle angeordnet ist. Hierdurch wird im Bereich der Welle kein Platz in radialer Richtung für die Erregereinrichtung benötigt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Maschine eine elektrische Spannungserzeugungseinheit aufweist, die zum Einspeisen einer Wechselspannung in die Primärspule ausgebildet ist. Wenn die elektrische Maschine eine elektrische Spannungserzeugungseinheit zur Erzeugung einer Wechselspannung aufweist, kann in die Primärspule eine hinsichtlich Frequenz und Form optimierte Wechselspannung eingespeist werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Frequenz der Wechselspannung größer als 60 Hz ist, da dann die Erregereinrichtung besonders klein ausgeführt sein kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wechselspannung sinusförmig oder rechteckförmig ist, da sich solche Wechselspannungen besonders einfach erzeugen lassen.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn an der Primärspule ein Primärjoch und an der Sekundärspule ein Sekundärjoch angeordnet ist, da dann die elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad von der Primärspule auf die Sekundärspule übertragen werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Primärjoch und/oder das Sekundärjoch massiv ausgebildet ist, da dann das Primär- und/oder das Sekundärjoch besonders einfach hergestellt werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Primärjoch und/oder das Sekundärjoch aus einem Pulververbundwerkstoff besteht, da dann das Primärjoch oder das Sekundärjoch besonders einfach hergestellt werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Primärjoch und/oder zumindest ein Teil des Sekundärjochs aus hintereinander angeordneten Blechen besteht, da hierdurch im Primär- und/oder im Sekundärjoch auftretende Wirbelströme reduziert werden können.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zwischen Sekundärspule und Welle angeordnete Teil des Sekundärjochs aus spiralförmig gewickeltem Blech besteht, da dann der zwischen Sekundärspule und Welle angeordnete Teil des Sekundärjochs besonders einfach realisiert werden kann.
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Die Maschine kann als elektrischer Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie oder als Elektromotor ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
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2 eine erfindungsgemäße elektrische Erregereinrichtung,
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3 eine erfindungsgemäße elektrische Erregereinrichtung, die Ausgleichsspulen aufweist,
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4 eine Ausbildung der erfindungsgemäßen Erregereinrichtung,
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5 weitere Ausbildungen der erfindungsgemäßen Erregereinrichtung,
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6 eine Ausbildung der elektrischen Spannungserzeugungseinheit und
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7 eine weitere Ausbildung der elektrischen Spannungserzeugungseinheit.
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In 1 ist in einer schematisierten Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 dargestellt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass in 1 nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 dargestellt sind. Die elektrische Maschine 1 weist eine ruhend angeordnete Hauptwicklung 2 auf, die in den Nuten eines rundend angeordneten Hauptwicklungsjoch 3 verläuft. Von der Hauptwicklung 2 sind in 1 nur die beiden seitlich aus dem Hauptwicklungsjoch 3 herausstehenden, stark schematisiert dargestellte Wickelköpfe in 1 zu sehen.
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Weiter weist die elektrische Maschine 1 eine drehfest mit einer rotierbar angeordneten Welle 7 der elektrischen Maschine 1 verbundene Erregerwicklung 5 auf. Die Welle 7 rotiert um die Rotationsachse A und weist die in Richtung der Rotationsachse A verlaufende axiale Richtung Z auf. Die Erregerwicklung 5 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels um ein Erregerwicklungsjoch 4, das drehfest mit der Welle 7 verbunden ist, angeordnet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist dabei die Erregerwicklung 5 um das Erregerwicklungsjoch 4 herumgewickelt. Die Erregerwicklung 5 ist über das Erregerwicklungsjoch 4 drehfest mit der Welle 7 verbunden. Zwischen Hauptwicklungsjoch 3 und Erregerwicklungsjoch 4 ist ein erster Luftspalt 6 angeordnet.
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Wenn die Erregerwicklung 5 bestromt wird, so bilden sich am Erregerwicklungsjoch 4 in radiale Richtung R verlaufendemagnetische Pole aus, die ein Magnetfeld erzeugen. Wenn die elektrische Maschine 1 als Elektromotor ausgebildet ist, dann wird die Hauptwicklung 2 von extern bestromt und solchermaßen ein Drehmoment an der Welle 7 erzeugt. Wenn die elektrische Maschine 1 als Generator ausgebildet ist, dann wird von extern die Welle 7 rotatorisch angetrieben, worauf das von der Erregerwicklung 5 erzeugte Magnetfeld an der Hauptwicklung 2 eine elektrische Spannung induziert.
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Zur elektrischen Energieversorgung der Erregerwicklung 5, d. h. zur Erzeugung des durch die Erregerwicklung 5 fließenden elektrischen Stroms weist die elektrische Maschine 1 eine einzelne einphasige Erregereinrichtung 9 und eine Gleichrichterschaltung 24 auf. Die Gleichrichterschaltung 24 ist drehfest mit der Welle 7 verbunden. Die Erregereinrichtung 9 weist eine einzelne ruhend angeordnete Primärspule 12 und eine einzelne rotierend angeordnete Sekundärspule 13, die drehfest mit der Welle 7 verbunden ist, auf. Die Wicklungsrichtung der Primär- und Sekundärspule verläuft in tangentialer Richtung T um die Welle 7 herum, d. h. die Wickeldrähte der Primär- und Sekundärspule verlaufen in tangentialer Richtung T um die Welle 7 herum. Die Primärspule 12 und die Sekundärspule 13 sind derart angeordnet, dass elektrische Energie von der Primärspule 12 auf die Sekundärspule 13 transformatorisch übertragbar ist. Die Erregereinrichtung 9 ist somit in Form einer einphasigen Erregereinrichtung ausgebildet. Die beiden Enden des Wickeldrahts, aus denen die Primärspule 12 besteht, sind an eine elektrische Spannungserzeugungseinheit 22 oder 23 (siehe 6 oder 7) angeschlossen.
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Die Sekundärspule 13 ist über ein Sekundärjoch 15 mit der Welle 7 drehfest verbunden. Das Sekundärjoch 15 ist an der Sekundärspule 13 angeordnet. Weiterhin ist an der Primärspule 12 ein Primärjoch 14 angeordnet. Das Sekundärjoch 15 und das Primärjoch 14 haben im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen hufeisenförmigen Querschnitt und sind um die Welle 7 herum angeordnet. Die Primärspule 12, das Primärjoch 14, die Sekundärspule 13 und das Sekundärjoch 15 sind derart angeordnet, dass elektrische Energie von der Primärspule über das Primärjoch und das Sekundärjoch auf die Sekundärspule tranformatorisch übertragbar ist. Zwischen dem Primärjoch 14 und dem Sekundärjoch 15 ist ein zweiter Luftspalt 16 angeordnet. In 1 ist die Richtung des durch die Primärspule 12 und Sekundärspule 13 im Rahmen des Ausführungsbeispiels fließenden elektrischen Stroms eingezeichnet.
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Die erfindungsgemäßen Primärausgleichsspule 17 und Sekundärausgleichsspule 18 sind nicht in 1 dargestellt, können aber 3 entnommen werden.
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In 2 ist in Form einer schematisierten perspektivischen Darstellung eine vergrößerte Ansicht der Erregereinrichtung 9 dargestellt. Gleiche Elemente sind in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1.
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Beim Betrieb der Erregereinrichtung 9 wird transformatorisch elektrische Energie von der Primärspule 12 auf die Sekundärspule 13 und damit vom ruhenden System der elektrischen Maschine 1, d. h. vom Statur der elektrischen Maschine 1, auf das rotierende System der elektrischen Maschine, d. h. auf den Rotor übertragen.
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Die Sekundärspule 13 ist über Leitungen 10 mit einer Gleichrichterschaltung 24 elektrisch verbunden, in der die von der Sekundärspule 13 erzeugte Wechselspannung gleichrichtet wird. Die Gleichrichterschaltung 24 ist über Leitungen 11 mit der Erregerwicklung 5 elektrisch verbunden. Bei der Gleichrichterschaltung 24 handelt es sich um eine einphasige Gleichrichterschaltung, die z. B. im einfachsten Fall aus einer einzelnen Diode 25 (siehe 6 und 7) bestehen kann.
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Die Gleichrichterschaltung 24 richtet die von der Sekundärspule 13 erzeugte Wechselspannung gleich und führt die gleichgerichtete Spannung zur elektrischen Energieversorgung der Erregerwicklung 5 zu.
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Durch die erfindungsgemäße einphasige Erregereinrichtung 9 ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten dreiphasigen Erregereinrichtungen, bei denen am Rotor drei Wechselspannungen erzeugt werden und nachfolgend zu einer Gleichspannung gleichgerichtet werden, die dann der Erregerwicklung zur Energieversorgung zugeführt wird, ein erheblich reduzierter Platzbedarf erforderlich. Weiterhin ist die erfindungsgemäße einphasige Erregereinrichtung auch erheblich einfacher aufgebaut, was die Zuverlässigkeit erhöht.
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In 2 ist der Verlauf des magnetischen Flusses B schematisiert dargestellt. Da der von Primärspule 12 und Sekundärspule 13 erzeugte magnetische Fluss B zum Teil auch durch die Welle 7 verläuft, was in 2 gestrichelt schematisiert gezeichnet angedeutet ist, und in der Welle 7 unerwünschte Wirbelströme erzeugt, weist die Erregereinrichtung 9 eine ruhend angeordnete Primärausgleichsspule 17 und eine mit der Welle 7 drehfest verbundene Sekundärausgleichsspule 18 auf, wobei die Wicklungsrichtung der Primär- und Sekundärausgleichsspule in tangentialer Richtung T um die Welle 7 herum verläuft, was in 3 dargestellt ist. In 3 sind dabei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1 oder 2.
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Die Sekundärausgleichsspule 18 ist über ein Sekundärausgleichsjoch 20 drehfest mit der Welle 7 verbunden und an der Primärausgleichsspule 17 ist ein Primärausgleichsjoch 19 angeordnet. Das Primärausgleichsjoch 19 und das Sekundärausgleichsjoch 20 haben im Rahmen des Ausführungsbeispiels ebenfalls einen hufeisenförmigen Querschnitt und verlaufen in tangentialer Richtung um die Welle 7 herum. Zwischen dem Primärausgleichsjoch 19 und dem Sekundärausgleichsjoch 20 ist ein dritter Luftspalt 21 angeordnet. Die Primärausgleichsspule 17 ist mit der Primärspule 12 derart elektrisch in Reihe geschaltet, dass ein durch die Primärspule 12 und Primärausgleichsspule 17 fließender elektrischer Strom durch die Primärausgleichsspule 17 in entgegengesetzte Richtung wie durch die Primärspule 12 fließt, d. h. der Strom ist um 180° phasenversetzt. Weiterhin ist die Sekundärausgleichsspule 18 derart elektrisch mit der Sekundärspule 13 elektrisch in Reihe geschaltet, dass ein durch die Sekundärausgleichsspule 18 fließender elektrischer Strom durch die Sekundärausgleichsspule 18 in entgegengesetzte Richtung wie durch die Sekundärspule 13 fließt, d. h. um 180° phasenversetzt ist.
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In 3 sind die Richtungen der elektrischen Ströme durch die einzelnen Spulen dargestellt. Die Primärausgleichsspule 17 weist vorzugsweise die gleiche Windungszahl auf wie die Primärspule 12 und die Sekundärausgleichsspule 20 weist vorzugsweise die gleiche Windungsanzahl auf wie die Sekundärspule 13. Die Sekundärausgleichsspule und die Primärausgleichsspule, sowie die Sekundärspule und die Primärspule sind dabei vorzugsweise nebeneinander angeordnet, insbesondere in axialer Richtung Z, nebeneinander angeordnet. Durch die Primärausgleichsspule und die Sekundärausgleichsspule ist der resultierende von der Erregereinrichtung 9 erzeugte magnetische Gesamtdurchflutung D stark reduziert und idealerweise Null, so dass durch die Erregereinrichtung 9 in die Welle 7 induzierte Wirbelströme stark reduziert werden und im Idealfall nicht mehr vorhanden sind.
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Gegenüber einer dreiphasigen Ausführung der Erregereinrichtung, bei der die in 2 dargestellte Primär- und Sekundärspule jeweils drei Mal vorhanden wären, wobei die drei Primärspulen dann an ein Drehstromsystem ängeschlossen sind und die drei Sekundärspulen an eine dreiphasige Gleichrichterschaltung angeschlossen sind und solchermaßen eine Gleichspannung zur Energieversorgung der Erregerwicklung erzeugt wird, sind bei der in 3 schematisiert dargestellten Ausführungsform der Erfindung nur vier Spulen (Primärspule, Sekundärspule, Primärausgleichsspule, Sekundärausgleichsspule) notwendig und trotzdem wird durch die erfindungsgemäße einphasige Erregereinrichtung, genau wie bei einer dreiphasigen Ausführung der Erregereinrichtung, die insgesamt sechs Spulen (drei Primärspulen und drei Sekundärspulen) benötigt, praktisch keine Wirbelströme durch die Erregereinrichtung in der Welle 7 erzeugt. Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Erregereinrichtung wird weiterhin auch kein Drehstromsystem benötigt, sondern es reicht eine einfache einphasige Erzeugung einer Wechselspannung, welche der Primärspule als Eingangsspannung zur Verfügung gestellt wird, aus.
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In 4 ist in Form einer schematisierten Schnittdarstellung die Erregereinrichtung 9 vergrößert dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 1. Die Primärspule 12 und die Sekundärspule 13 können dabei aus handelsüblichem Wickeldraht, welcher zu einer Spule geformt ist, gefertigt sein. Weiterhin kann aber auch die Sekundärspule 13, wie in 4 dargestellt, aus einem spiralförmig um die Welle 7 gewickelten Kupferband bestehen. Das Kupferband ist dabei mit einer elektrischen Isolierung versehen. Das Primärjoch 14 und/oder das Sekundärjoch 15 können dabei massiv ausgebildet sein oder z. B. aus hintereinander angeordneten Blechen bestehen, wie in 4 beim Sekundärjoch 15 dargestellt. Die Bleche sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet. Das Primärjoch 14 und das Sekundärjoch 15 bestehen aus einem magnetischen leitenden Material, wie z. B. einem ferromagnetischen Material (z. B. Eisen). Weiterhin kann das Primär- und/oder das Sekundärjoch auch aus einem magnetisch leitenden Pulververbundwerkstoff (SMC-Material (Soft Magnetic Composite)) bestehen.
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Der zwischen Sekundärspule 13 und Welle 7 angeordnete Teil 15a des Sekundärjochs 15 kann auch aus einem um die Welle 7 gewickelten Blech bestehen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Primärspule 12 um die Sekundärspule 13 herum angeordnet.
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In 5 sind, gemäß der links schematisiert dargestellten Ausführungsform der Erregereinrichtung 9, das Primärjoch 14 und das Sekundärjoch 15 L-förmig ausgebildet. Bei der in 5 in der Mitte schematisiert dargestellten Ausführungsform der Erregereinrichtung 9 sind die Primärspule 12 und die Sekundärspule 13 in axialer Richtung Z nebeneinander angeordnet. Bei der in der in 5 rechts schematisiert dargestellten Ausführungsform der Erregereinrichtung 9 ist die Sekundärspule 13 am axialen Ende E der Welle 7 an der in radiale Richtung R verlaufenden Seitenfläche SR der Welle 7 angeordnet und mit der Welle 7 über das Sekundärjoch 15 drehfest verbunden. Die Primärspule 12 ist dabei in axialer Richtung Z neben der Sekundärspule 13 angeordnet.
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In 6 und 7 sind zwei Ausführungsformen der elektrischen Schaltung zur Versorgung der Erregerwicklung 5 in Form eines elektrischen Schaltbilds dargestellt. Gleiche Elemente sind in den 6 und 7 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Die elektrische Maschine 1 weist in 6 eine Spannungserzeugungseinheit 22 auf, die eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt und in die Primärspule 12 einspeist. In 7 liegt die Spannungserzeugungseinheit in Form eines Schaltnetzteils 23 vor, das eine rechteckförmige Wechselspannung erzeugt. Die Frequenz der sinusförmigen oder rechteckförmigen Wechselspannung beträgt dabei vorzugsweise mehr als 60 Hz und beträgt vorzugsweise z. B. 100 Hz oder mehr als 100 Hz, da dann das Primärjoch, das Sekundärjoch und falls vorhanden das Primärausgleichsjoch und das Sekundärausgleichsjoch besonders klein ausgeführt werden können.
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Die Funktion der Erregereinrichtung 9 ist drehrichtungs- und drehzahlunabhängig. Die Erregereinrichtung 9 ist somit, auch wenn die Welle 7 still steht, in der Lage die Erregerwicklung 5 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Baugröße der Erregereinrichtung 9 ist nur von der Frequenz der von der Spannungserzeugungseinheit erzeugten Wechselspannung, sowie von der zur Energieversorgung der Erregerwicklung 5 benötigen elektrischen Leistung abhängig.
