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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektrische Maschinen, z. B. Motoren und/oder elektrische Generatoren können zur Stromerzeugung verwendet werden. In der Luftfahrtindustrie findet man häufig eine Kombinationen aus Motoren/Generatoren, wobei der Motor verwendet wird, um den Generator anzutreiben und abhängig von der Konfiguration, auch als ein Generator arbeitet. Unabhängig von der Konfiguration weisen Generatoren typischerweise einen Generatorrotor mit Hauptwicklungen auf, die von einer Drehquelle, z. B. einer elektrischen oder mechanischen Maschine, welche für einige Flugzeuge ein Gasturbinentriebwerk sein kann, zum Drehen angetrieben werden. In einigen Anwendungen erzeugen die Generatoren zuerst einen Wechselstrom (AC), der gleichgerichtet wird, um für Gleichstrom-Komponenten an dem Flugzeug einen Gleichstrom zu erzeugen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform ist eine Gleichrichtereinrichtung zur Anordnung innerhalb einer rotierenden Welle einer elektrischen Maschineneinrichtung mit einer ersten Maschine, die eine Wechselstromausgabe liefert, und einer zweiten Maschine, die eine Gleichstromeingabe empfängt, geschaffen, wobei die Gleichrichtereinrichtung die Wechselstromausgabe in die Gleichstromeingabe umwandelt. Die Gleichrichtereinrichtung enthält gegenüberliegende erste und zweite leitende Segmente, gegenüberliegende erste und zweite nichtleitende Segmente, die die ersten und zweiten leitenden Segmente verbinden, um gemeinsam eine ringförmige Gleichrichterstruktur zu bilden, die einen Innenraum definiert, wobei die ersten und zweiten leitenden Segmente und die ersten und zweiten nichtleitenden Segmente radial um die ringförmige Gleichrichterstruktur herum beabstandet angeordnet sind, einen Satz von Diodensitzen, die an jedem der ersten und zweiten leitenden Segmente so vorgesehen sind, dass sie dem Innenraum zugewandt sind, wobei ein Diodensitz in einem Satz mit einem Diodensitz in dem anderen Satz gepaart ist, um Paare von Diodensitzen zu definieren, ein Vorspannelement, das jeden Diodensitz überdeckt, und eine nichtleitende Halterung für jeden der Diodensitze, die das Rückhalteelement bezüglich des Diodensitzes in Position hält. Eine Diode, die in den Diodensitz eingesetzt ist, ist durch das Vorspannelement gegen den Diodensitz vorgespannt und durch die nichtleitende Halterung in Stellung gehalten.
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Die Gleichrichtereinrichtung kann ferner eine Eingangsbusschiene für jede der Paare von Diodensitzen aufweisen.
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Das Vorspannelement einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann bei der Eingangsbusschiene integriert sein.
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Das Vorspannelement einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann zwei beabstandete Federfinger aufweisen, wobei jeder Federfinger das Vorspannelement für einen der Diodensitze der paarweise vorhandenen Diodensitze bildet.
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Die Eingangsbusschiene einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann von den ersten und zweiten leitenden Segmenten durch die nichtleitenden Segmente elektrisch isoliert sein.
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Zumindest ein Abschnitt der Eingangsbusschiene kann an mindestens einem der nichtleitenden Segmente befestigt sein.
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Der Gleichrichter eines beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Ausgangsbusschiene für jedes der ersten und zweiten leitenden Segmente aufweisen.
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Zumindest eine der Ausgangsbusschienen kann an ein Ende eines ersten und zweiten leitenden Segmente befestigt sein.
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Die nichtleitende Halterung einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann innerhalb des Innenraums an einer Seite des zugehörigen einen der ersten und zweiten leitenden Segmente befestigt sein.
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Die leitenden und nichtleitenden Segmente einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung können eine bogenförmige Oberfläche aufweisen, die gemeinsam einen Kreis definieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Gleichrichtereinrichtung zur Anordnung innerhalb einer rotierenden Welle einer elektrischen Maschineneinrichtung geschaffen, die eine erste Maschine, die eine Wechselstromausgabe liefert, und eine zweite Maschine aufweist, die eine Gleichstromeingabe empfängt, wobei die Gleichrichtereinrichtung die Wechselstromausgabe in die Gleichstromeingabe umwandelt. Die Gleichrichtereinrichtung enthält mehrere leitende Segmente, mehrere nichtleitende Segmente, die zwischen den mehreren leitenden Segmenten eingefügt sind, um die leitenden Segmente elektrisch zu trennen und um eine Gleichrichterstruktur mit einem Innenraum zu bilden, einen Satz von Diodensitzen, die an jedem der leitenden Segmente vorgesehen sind, um dem Innenraum zugewandt zu sein, ein Vorspannelement, das jeden Diodensitz überdeckt, und eine nichtleitende Halterung für jeden der Diodensitze, die das Rückhalteelement bezüglich des Diodensitzes in Position hält. Eine Diode, die in dem Diodensitz sitzt, ist durch das Vorspannelement gegen den Diodensitz vorgespannt und durch die nichtleitende Halterung in Stellung gehalten.
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Die Gleichrichtereinrichtung kann ferner zumindest eine Eingangsbusschiene aufweisen, die Wechselstrom zu mindestens einem der Diodensitze liefert.
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Das Vorspannelement einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann bei der Eingangsbusschiene integriert sein.
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Das Vorspannelement einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann einen Federfinger aufweisen.
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Die Eingangsbusschiene einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann durch die nichtleitenden Segmente elektrisch von den leitenden Segmenten isoliert sein.
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Zumindest ein Abschnitt der Eingangsbusschiene kann an mindestens einem Ende der nichtleitenden Segmente befestigt sein.
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Die Gleichrichtereinrichtung eines beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Ausgangsbusschiene für jedes der leitenden Segmente aufweisen.
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Zumindest eine der Ausgangsbusschienen einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann an einem Ende eines der leitenden Segmente befestigt sein.
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Die nichtleitende Halterung einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann innerhalb des Innenraums an einer Seite des zugehörigen einen der leitenden Segmente befestigt sein.
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Die leitenden und nichtleitenden Segmente einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung können bogenförmige Oberflächen aufweisen, die gemeinsam einen Kreis definieren.
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Die Diodensitze einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung können an den leitenden Segmenten axial beabstandet angeordnet sein.
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Die nichtleitenden Segmente einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung können eine Umhüllung für die Gleichrichtereinrichtung bilden, wobei die Umhüllung eine Innenseite aufweist, die den Innenraum definiert, und die leitenden Segmente können an der Innenseite befestigt sein.
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Der Innenraum der Gleichrichtereinrichtung einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung kann einen Durchgang für den Durchfluss eines Kühlmittels definieren.
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Die ersten und zweiten leitenden Segmente einer beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichtereinrichtung können durch die Diode erzeugte Wärme ableiten.
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Die Gleichrichtereinrichtung eines beliebigen vorstehend erwähnten Gleichrichters kann rotationsmäßig ausgewuchtet sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen:
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1 ist eine Schnittansicht einer elektrischen Maschineneinrichtung.
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2 ist eine perspektivische Ansicht der Gleichrichtereinrichtung und des Wellenrohrs.
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3 ist eine in axial ausgedehnte Explosionsansicht der Gleichrichtereinrichtung und des Wellenrohrs.
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4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Diodeneinrichtung, die entlang der Linie 4-4 in 3 geschnitten wurde.
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5 ist eine Querschnittsansicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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6 ist eine perspektivische Ansicht einer Gleichrichtereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung können in beliebiger Umgebung unter Verwendung eines elektrischen Motors implementiert sein, unabhängig davon, ob der elektrische Motor eine Antriebskraft liefert und/oder elektrischen Strom erzeugt. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird solch ein elektrischer Motor als eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschineneinrichtung oder mit ähnlichen Begriffen bezeichnet, die es verdeutlichen sollen, dass eine oder mehrere Stator/Rotor-Kombinationen in der Maschine vorhandenen sein können. Während diese Beschreibung primär auf eine elektrische Maschine gerichtet ist, die Strom erzeugt, ist sie auch auf eine elektrische Maschine, die eine Antriebskraft liefert, und/oder eine elektrische Maschine anwendbar, die sowohl eine Antriebskraft als auch erzeugten Strom liefert. Ferner sind, obwohl diese Beschreibung primär auf eine Flugzeugumgebung abzielt, Ausführungsformen der Erfindung in einer beliebigen Umgebung anwendbar, in der eine elektrische Maschine verwendet wird.
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Bezugnehmend auf eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, veranschaulicht 1 schematisch eine elektrische Maschineneinrichtung 10, die eine erste Maschine 12, die einen Erregerrotor 14 und einen Erregerstator 16 aufweist, und eine zweite Maschine 18 aufweist, die einen Hauptmaschinenrotor 20 und einen Hauptmaschinenstator 22 aufweist. Mindestens eine Stromverbindung ist auf der Außenseite der elektrischen Maschineneinrichtung 10 geschaffen, um für die Übertragung elektrischen Stroms zu und von der elektrischen Maschineneinrichtung 10 zu sorgen. Strom wird über diese Stromverbindung, die als elektrische Stromleitung 34 gezeigt ist, zu der elektrischen Last übertragen und kann eine dreiphasige Ausgabe mit einer geerdeten Referenzausgabe aus der elektrischen Maschineneinrichtung 10 bereitstellen.
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Die elektrische Maschineneinrichtung 10 weist ferner eine drehbare Welle 24 auf, die mechanisch mit einer Quelle für eine axiale Drehung, die ein (nicht gezeigtes) Gasturbinentriebwerk sein kann, um eine gemeinsame Achse 26 herum verbunden ist. Die drehbare Welle 24 wird durch beabstandete Lager 28 gestützt und weist Zugangsöffnungen 29 auf, die radial um die Welle 24 herum beabstandet angeordnet sind. Der Erregerrotor 14 und der Hauptmaschinenrotor 20 sind zum Rotieren in Bezug auf die Statoren 16, 22, die innerhalb der elektrischen Maschineneinrichtung 10 hinsichtlich der Rotation feststehend sind, an der drehbaren Welle 24 befestigt. Die Statoren 16, 22 können an einem beliebigen geeigneten Teil eines Gehäuseabschnitts der elektrischen Maschineneinrichtung 10 befestigt sein.
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Die drehbare Welle 24 weist ferner zumindest einen hohlen Abschnitt auf, um ein Wellenrohr 30 zu umschließen, das als nichtleitend vorgesehen ist. Das Wellenrohr 30 ist zur gemeinsamen Drehung der drehbaren Welle 24 drehfest befestigt und nimmt ferner eine Gleichrichtereinrichtung 32 auf, wobei es die Gleichrichtereinrichtung 32 von der drehbaren Welle 24 isoliert.
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Der Erregerrrotor 14 ist mit der Gleichrichtereinrichtung 32 mittels (schematisch als gepunktete Linien gezeigter) Leiter 36 elektrisch verbunden. Zusätzlich ist die Gleichrichtereinrichtung 32 mit den Hauptwicklungen 38 des Hauptmaschinenrotors 20 mittels der Leitungen 36 elektrisch verbunden.
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Bezugnehmend auf 2 werden nun Details des Wellenrohrs 30 und der Gleichrichtereinrichtung 32 beschrieben. Das Wellenrohr 30 weist eine im Wesentlichen zylindrische Struktur mit gegenüberliegenden offenen Enden auf und weist fünf Montageverbinderöffnungen 40 auf, die in der Nähe des hinteren Bereichs der Welle 30 radial beabstandet angeordnet sind. Es ist auch gezeigt, dass das Wellenrohr 30 optionale Zugangsöffnungen 42 aufweist, wovon einige radial fluchtend ausgerichtet sein können, um auf Abschnitte der Gleichrichtereinrichtung 32 zuzugreifen. Das Wellenrohr 30 weist ferner Ankerbefestigeröffnungen 44 auf.
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Die Gleichrichtereinrichtung 32 weist eine äußere Struktur auf, die gegenüberliegende, sich axial erstreckenden leitende Segmente, z. B. die elektrischen Segmente 48, 50, und gegegenüberliegende nichtleitende Segmente, z. B. die isolierenden Segmente 52, aufweist, die zumindest einen Abschnitt der benachbarten elektrischen Segmente 48, 50 elektrisch isolieren. Es ist auch gezeigt, dass jeder der Segmente 48, 50, 52 einen im Wesentlichen bogenförmigen Querschnitt aufweist. Die elektrischen Segmente 48, 50 können aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material hergestellt sein. Zusätzlich können die isolierenden Segmente 52 aus einem beliebigen geeigneten nichtleitfähigen Material hergestellt sein. Die veranschaulichte Ausführungsform zeigt ein zusammengebautes erstes elektrisches Segment 48, ein zweites elektrisches Segment 50 und zwei isolierende Segmente 52, die in einer radial sich abwechselnden benachbarten Anordnung verbunden sind. Die zusammengebauten Segmente 48, 50, 52 definieren gemeinsam eine sich axial erstreckende, ringförmige Gleichrichterstruktur, die einen sich axial erstreckenden Innenraum definiert. Es sind alternative Anordnungen der elektrischen Segmente 48, 50 und der isolierenden Segmente 52 vorgesehen.
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Jedes elektrische Segment 48, 50 und isolierende Segment 52 weist ferner mechanische Befestigeröffnungen 54 zur Aufnahme mechanischer Befestigungselemente 55 auf. Wie gezeigt, weist jedes der ersten und zweiten elektrischen Segmente 48, 50 zusätzlich Ankerbefestigerbasisvorrichtungen 56 zur Aufnahme der Befestiger 55 auf. Die Ankerbefestigerbasisvorrichtungen 56 und die Ankerbefestigeröffnungen 44 sind so eingerichtet, dass, wenn das Wellenrohr 30 und die Gleichrichtereinrichtung 32 zusammengebaut sind, die Befestigerbasisvorrichtungen 56 und die Befestigeröffnungen 44 axial und radial fluchtend ausgerichtet sind, um einen Befestiger 55 durch die Befestigeröffnung 44 in die Befestigerbasisvorrichtung 56 aufzunehmen. Die Verbindung des Befestigers 55 mit der Befestigerbasisvorrichtung 56 erfolgt auf solch eine Weise, dass sich die Gleichrichtereinrichtung 32 und das Wellenrohr 30 nicht unabhängig voneinander drehen können. Alternative Anzahl und Anordnung der Ankerbefestigeröffnungen 44 und der Ankerbefestigerbasisvorrichtungen 56 sind vorgesehen.
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Die zusammengebauten elektrischen Segmente 48, 50 und isolierenden Segmente 52 definieren zumindest teilweise einen axialen Kühlmitteldurchgang 58, der sich axial entlang des Innenraums der zusammengebauten Segmente 48, 50, 52 erstreckt. Der axiale Kühlmitteldurchgang 58 ermöglicht, dass ein Kühlmittel durch den Innenraum der Gleichrichtereinrichtung 32 fließt. Alternative Konfigurationen des Kühlmitteldurchgangs 58 sind vorgesehen, um zu ermöglichen, dass sich Durchgänge axial entlang der Außenseite der zusammengebauten Segmente 48, 50, 52 sowie entlang radialer Öffnungen in den Segmenten 48, 50, 52 erstrecken, wodurch dem Kühlmittel ein Durchströmen des Innenraums und der Außenseite der Gleichrichtereinrichtung 32 ermöglicht wird.
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Die Gleichrichtereinrichtung 32 weist ferner leitende Wechselstrombusschienen 62 und Gleichstrombusschienen 63 auf, die als um die Achse der Gleichrichtereinrichtung 32 radial beabstandet gezeigt sind. Die Busschienen 62, 63 weisen ein erstes Ende mit Montageverbindern 64 zur Sicherung der Wechselstrom- und Gleichstromschienen 62, 63 an die entsprechenden ersten und zweiten Maschinen 12, 18 mittels der Leiter 36 auf. Die Wechselstrombusschienen 62 empfangen die Eingangswechselspannung von der ersten Maschine auf und die Gleichstrombusschienen 63 liefern die Ausgangsgleichspannung von der Gleichrichtereinrichtung 32. Wie dargestellt, werden die Montageverbinder 64 mit dem ersten Ende der Busschienen 62, 63 gleichzeitig gebildet und mit diesen verbunden. Alternativ kann ein Befestigungsmittel, z. B. eine Schraube, vorgesehen sein, um die Montage der Montageverbinder 64 an das erste Ende der Busschienen 62, 63 zu unterstützen. Alternativ können auch nichtmechanische Befestigungsmittel, z. B. eine Schweißnaht oder ein Kleber verwendet werden.
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Die Montageverbinder 64 und die Montageverbinderöffnungen 40 sind so eingerichtet, dass, wenn das Wellenrohr 30 und die Gleichrichtereinrichtung 32 zusammengebaut sind, die Verbinder 64 von den Öffnungen 40 aufgenommen werden, um eine elektrische Verbindung zwischen den Wechselstromverbindern 64 und der ersten Maschine 12 sowie den Gleichstromverbindern 64 und der zweiten Maschine 18 zu schaffen.
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3 veranschaulicht eine perspektivische Explosionsansicht der Gleichrichtereinrichtung, die entlang der gemeinsamen Achse 26 explodiert dargestellt ist. Wie dargestellt, ist eine der Gleichstrombusschienen 63 elektrisch mittels der Befestiger 55 mit einem Ende jeder des entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Segmentes 48, 50 verbunden. Die elektrische Verbindung kann mittels beliebiger leitender Oberflächenverbindung oder mittels leitender geeigneter mechanischer oder nichtmechanischer Befestiger durchgeführt werden. Alternative Anordnung und Verbindung der Gleichstrombusschienen 63 mit jedem elektrischen Segment 48, 50 ist vorgesehen. Wie gezeigt, nehmen zusätzlich die drei Wechselstrombusschienen 62 die entsprechende dreiphasige Ausgabe des Erregerrotors 14 auf. Darüber hinaus werden die zwei Gleichstrombusschienen 63 für die Übertragung der Gleichstromausgabe zu der zweiten Maschine 18 verwendet. Alternative Anordnungen und Anzahl von Wechselstrom- und Gleichstrombusschienen 62, 63 sind im Hinblick auf die Bedürfnisse und die Konfiguration der elektrischen Maschineneinrichtung 10 vorgesehen.
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Die elektrischen Segmente 48, 50 und die isolierenden Segmente 52 sind mit den entsprechenden Stiften 68 und Öffnungen 69 gezeigt, die es den Segmenten 48, 50, 52 ermöglichen, aneinander montiert zu werden, um eine Ausrichtung zu ermöglichen, und eine unabhängige Verdrehbarkeit zu verhindern. Alternative physische oder formschlüssige Konfigurationen von Stiften 68 und Öffnungen 69, die eine ordnungsgemäße fluchtende Ausrichtung ermöglichen, sind vorgesehen.
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Die isolierenden Segmente 52 können ferner Oberflächeneinkerbungen 66 aufweisen, die sich axial entlang der inneren und äußeren Flächen zur Aufnahme der ersten, zweiten und dritten Wechselstrombusschienen 62 erstrecken. Wenn sie zusammengebaut ist, isoliert die Anordnung und Verbindung der Wechselstrombusschienen 62 mit den isolierenden Segmenten 52 jede der Schienen 62 gegen einen elektrischen Kontakt miteinander als auch von dem ersten und zweiten elektrischen Segment 48, 50. Die Wechselstrombusschienen 62 sind gezeigt, wie sie mit mindestens einem Abschnitt der Schienen 62 mittels der Befestiger 55 an mindestens einem der isolierenden Segmente 52 befestigt sind.
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Jedes von dem ersten elektrischen Segment 48 und dem zweiten elektrischen Segment 50 weist ferner zumindest einen Diodensitz 74 zur Aufnahme einer Diode 80 auf, die als kreisförmige Vertiefungen innerhalb der Innenfläche der Segmente 48, 50 veranschaulicht ist. Wenn sie montiert sind, sind die Dioden 80 axial auf den elektrischen Segmenten 48, 50 beabstandet angeordnet, andere Positionen und Formen sind jedoch möglich. Mit Bezug auf das erste und zweite Segment 48, 50 definiert ein gegenüberliegender Diodensitz 74 von jedem Segment 48, 50 ein Paar Diodensitze. Typischerweise wird die Gleichrichtereinrichtung 32 ein Paar Diodensitze für jede Wechselstrombusschiene 62 aufweisen, aber alternative Konfigurationen sind vorgesehen.
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Es ist gezeigt, dass die Gleichrichtereinrichtung Diodenanordnungen 76 aufweist, von denen jede einen Diodensatz 82 mit einer in Durchlassrichtung vorgespannten und einer in Sperrrichtung vorgespannten kreisförmigen Diode 80 aufweist. Die Diodenanordnung 76 weist isolierende Halterungen 96 auf, die elektrisch zumindest einen Abschnitt der Wechselstrombusschiene 62 und der Diode 80 von benachbarten Schienen 62 isolieren. Die Halterungen 96 weisen ferner eine Halterungserhöhung 98 auf jedem axialen Ende auf, um eine Vertiefung zur Aufnahme jeder Diode 80 zu definieren. Die Halterungen 96 können aus einem nichtleitendem Material hergestellt sein. Jede Halterung 96 weist zumindest eine mit einem Gewinde versehene Befestigungsöffnung 100 auf jeder Erhöhung 98 zur Aufnahme des Befestigers 55 auf. In alternativen mechanischen Befestigerausführungsformen würde die Öffnung 100 durch einen geeigneten Montagepunkt ersetzt werden.
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Bezugnehmend nun auf 4 weist die Diodenanordnung 76 ferner ein Ende jeder Wechselstrombusschiene 62 mit einem gegenüberliegenden Paar integrierter leitender Anschlussschienen 90 mit Vorspannelementen, z. B. Federfingern 92, auf. Jedes Paar Anschlussschienen 90 ist eingerichtet, um einem Diodensitz 82 zu entsprechen. Die Anschlussschienen 90, wie sie verkörpert sind, sind gemeinsam mit jeder zugehörigen Wechselstrombusschiene 62 gebildet, aber können alternativ durch ein beliebiges geeignetes leitendes Material, das elektrisch mit den Wechselstrombusschienen 62 verbunden ist, gebildet oder maschinell hergestellt werden. Die Federfinger 92 erstrecken sich normalerweise mit einer Fläche leicht nach außen, die zur Herstellung einer leitenden Verbindung mit einer Diode 80 aus jedem Diodensatz 82 geeignet ist. Alternative Federfinger 92 sind zur Herstellung einer leitenden Verbindung mit den Dioden 80 vorgesehen.
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Die Öffnung 100 der Halterung 96 ist eingerichtet, um mit den mechanischen Befestigungsöffnungen 54 der ersten und zweiten elektrischen Segmente 48, 50 übereinzustimmen. In ähnlicher Weise ist der Diodensitz 74 des ersten elektrischen Segments 48 eingerichtet, um mit den in Durchlassrichtung vorgespannten Dioden 80 und einem Satz der Federfinger 92 auf jeder der Diodenanordnungen 76 übereinzustimmen, und der Diodensitz 74 des zweiten elektrischen Segments 50 ist eingerichtet, um mit den in Sperrrichtung vorgespannten Dioden 80 und dem gegenüberliegenden Satz Federfinger 92 auf jeder der Diodenanordnungen 76 übereinzustimmen.
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Der Zusammenbau der Diodenanordnung 76 wird nun detaillierter beschrieben. Wenn das erste und zweite elektrische Segment 48, 50 und die isolierenden Segmente 52 aneinandergefügt werden, überlagern die Dioden 80 die Oberfläche jedes der Diodensitze 74, so dass der Sitz 74 des ersten elektrischen Segments 48 von den in Durchlassrichtung vorgespannten Dioden 80 überlagert wird und der Sitz 74 des zweiten elektrischen Segments 50 von den in Sperrrichtung vorgespannten Dioden 80 überlagert wird. Jeder Diodensatz 82 wird dann mit einer der drei Anschlussschienen 90 überdeckt, so dass die gegenüberliegenden Federfinger 92 jede der gegenüberliegenden Dioden 80 überdecken, gefolgt von jeder Anschlussschiene 90, die von einer Halterung 96 überdeckt wird. Schließlich wird ein Befestiger 55 in jede mechanische Befestigungsöffnung 54 der ersten und zweiten elektrischen Segmente 48, 50 eingeführt und in der Öffnung 100 der Halterung 96 befestigt.
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Das Befestigen des Befestigers 55 in der Öffnung 100 drückt die Halterung 96 gegen die innere Fläche des ersten und zweiten elektrischen Segments 48, 50, so dass die Federfinger 92 die Dioden 80 radial gegen die Segmente 48, 50 klemmen. Die Erhöhungen 98 jeder Halterung 96 beschränken ferner die Dioden 80 axial, und die Verbindung zwischen den ersten und zweiten elektrischen Segmenten 48, 50 mit jedem der isolierenden Segmente 52 beschränken die Dioden 80 radial, um ein Auftreten unbeabsichtigter elektrischer Kontakte zu unterbinden. Somit werden die Dioden 80 in ihrer Position relativ zu dem Diodensitz 74 gesichert.
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Die Gleichrichtereinrichtung 32 ist ferner axial an dem Wellenrohr 30 gesichert, wenn die Montageverbinder 64 an die erste und zweite Maschine 12, 18 durch die Montageverbindungsöffnungen 40 hindurch gesichert werden. In einem vollständig zusammengebauten Zustand kann zusätzlich zumindest ein Abschnitt der Zugangsöffnungen 42 mit den mechanischen Befestigungsöffnungen 54 des ersten elektrischen Segments 48, des zweiten elektrischen Segments 50 oder der isolierenden Segmente 52 ausgerichtet sein, wodurch eine visuelle Inspektion und Anpassung des Befestigers 55 ermöglicht wird.
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Während des Generatorbetriebs wird die drehbare Welle 24 durch die Quelle der axialen Drehung angetrieben. Die Rotation des befestigten Erregerrotors 14 neben dem Erregerstator 16 erzeugt einen Dreiphasenwechselstrom, der mittels der Leiter 36 und der Montageverbinder 64 an den drei zugehörigen Wechselstromeingangsbusschienen 62 bereitgestellt wird. Jede Phase des Wechselstroms wird von der Busschiene 62 zu einer Diode 80 jedes in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung vorgespannten Diodensatzes 82 übertragen. Die Dioden funktionieren, um die Wechselstromvollwelle in Gleichstrom gleichzurichten. Bei Null oder niedrigen Umdrehungen pro Minute der rotierbaren Welle 24 werden die Dioden 80 durch die Federfinger 92 des zweiten Endes der Wechselstrombusschienen 62 unter Druck in Stellung gehalten, wenn diese mittels der Befestiger 55 gegen die Dioden 80 zu dem Diodensitz 74 der elektrischen Segmente 48, 50 gezogen werden. Bei höheren Umdrehungen pro Minute unterstützt die Zentrifugalkraft zusätzlich zu der Druckkraft dabei, die Dioden 80 in Position zu halten.
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Die in Sperrrichtung vorgespannten Dioden 80 geben einen Gleichstrom an die ersten elektrischen Segmente 48 aus, und die in Durchlassrichtung vorgespannten Dioden geben einen Gleichstrom an das zweite elektrische Segment 50 aus. Die zwei Gleichstromausgangsströme werden den entsprechenden Gleichstromausgangsbusschienen 63 bereitgestellt, wo sie durch die Montageverbinder 64 und die Leiter 36 in die Hauptwicklungen 38 des Hauptmaschinenrotors 20 übertragen werden. Die Rotation des Hauptmaschinenrotors 20 um den Hauptmaschinenstator 22 herum erzeugt den elektrischen Strom, der zur Energieversorgung der Generatorlast verwendet wird.
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Während des Betriebs der elektrischen Maschineneinrichtung 10 ermöglicht die Konfiguration des axialen Kühlmitteldurchgangs 58 dem Kühlmittel, den Innenraum der Gleichrichtereinrichtung 32 zu durchfluten, wobei es jegliche Übergangs- oder Festkörpertemperaturbedingungen kühlt, die sich an den elektrischen Segmenten 48, 50, den isolierenden Segmenten 52 oder an der Diodenanordnung 76 entwickeln. Alternative Kühlmittelkonfigurationen sind vorgesehen.
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5 und 6 veranschaulichen eine alternative Gleichrichtereinrichtung 32 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist der ersten Ausführungsform ähnlich; deshalb werden gleiche Bauteile durch gleiche Ziffern, um 100 erhöht, bezeichnet, wobei es verstanden werden soll, dass, falls nicht anderweitig vermerkt, die Beschreibung gleicher Teile der ersten Ausführungsform für die zweite Ausführungsform gilt. Ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform ist, dass die isolierenden Segmente 152 die gesamte äußere Struktur der Gleichrichtereinrichtung 132 bilden, während die elektrischen Segmente 148, 150 zumindest teilweise innerhalb der isolierenden Segmente 152 untergebracht sind. Wie in 5 gezeigt, weist die äußere Struktur zwei isolierende Segmente 152 auf, jedes mit einem halbmondförmigen Querschnitt und mit inneren Oberflächen 102, die einen Schlitz oder Kanal zur Aufnahme der elektrischen Segmente 148, 150 definieren. 6 veranschaulicht die elektrischen Segmente 148, 150 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Während des Zusammenbaus werden die elektrischen Segmente 148, 150 zumindest teilweise von der Oberfläche 102 aufgenommen. Alternative elektrische und isolierende Segmentkomponenten und -einrichtungen sind beabsichtigt, z. B. isolierende Segmente 152, die integrierte erste und/oder zweite elektrische Segmente 148, 150 aufweisen.
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Viele andere mögliche Ausführungsformen und Konfigurationen zusätzlich zu den in den vorstehend gezeigten Figuren sind durch die vorliegende Offenlegung beabsichtigt. Beispielsweise beabsichtigt eine Ausführungsform der Erfindung alternative Konfigurationen der in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung vorgespannten Diodensätze zu verwenden, die eine Halbwellen-Gleichrichtung ermöglichen können. Ein weiteres Beispiel kann einen einzigen elektrischen Ring aufweisen, worin beide Diodensätze den Strom zu einer einzigen Gleichstromausgabe gleichrichten. Ein noch weiteres Beispiel der Erfindung beabsichtigt, ein abgeschlossenes Ölsystem zur Kühlung oder Luft zur Kühlung zu verwenden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Wellenrohr 30 entweder aus einem leitenden oder aus einem nichtleitenden Material hergestellt sein, um eine weitere Kostenreduktion zu erzielen. Weiterhin kann ein anderes Beispiel der Erfindung auf das Wellenrohr 30 vollständig verzichten und es vorsehen, dass die Gleichrichtereinrichtung direkt in der rotierenden Welle aufgenommen wird. Darüber hinaus kann die Gestaltung und Anordnung der verschiedenen Komponenten verändert werden, so dass eine Vielzahl verschiedener Reihenkonfigurationen verwirklicht werden kann.
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Ein Vorteil, der in den obigen Ausführungsformen verwirklicht werden kann, ist, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen überragende Gewichts- und Größenvorteile gegenüber herkömmlichen Typen von Generatorgleichrichtersystemen aufweisen. Mit der vorgeschlagenen rotierenden Anordnung kann die derzeitige Gleichrichtung ohne externe Raumeinschränkungen aufgrund zusätzlicher Schaltkreise erzielt werden. Zusätzlich wird die Konstruktion und Einrichtung des Gleichrichters eine verringerte Wartungsausfallzeit zur Folge haben. Ein noch weiterer Vorteil der vorstehenden Ausführungsformen ist es, dass das bereits in der rotierenden Welle vorhandene Öl oder Kühlmittel verwendet werden kann, um die Gleichrichtereinrichtung zu warten, was zusätzliches Gewicht und zusätzliche Größe einer gesonderten Komponente einspart. Ein weiterer Vorteil der vorstehenden Ausführungsformen ist, dass sie das Risiko reduzieren, dass die Diodenbrücke einen elektrischen Kurzschluss mit einer metallischen Welle herstellt. Darüber hinaus kann eine hohe Umfangsgeschwindigkeit (bis zu 40000 Umdrehungen pro Minute), die viel höher ist als die typischerweise für kommerziele Flugzeuge verwendeten 8000–12000 Umdrehungen pro Minute aufgrund der verringerten Zentrifugalkräfte der Bewegung der Einrichtung näher an der gemeinsamen Rotationsachse, erzielt werden kann. Die höheren Umfangsgeschwindigkeit hat ein niedrigeres elektromagnetisches Gewicht des Generators zur Folge.
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Wenn Flugzeugkomponenten entworfen werden, werden Größe, Gewicht und Zuverlässigkeit als wichtige Faktoren angesprochen. Die vorstehend beschriebene Gleichrichtereinrichtung weist eine verringerte Anzahl von Bauteilen auf, da das System in der Lage sein wird, gleichgerichtete Gleichstromausgaben mit einer minimalen Stromumwandlungsausstattung zu liefern, wodurch das Gesamtsystem von sich aus zuverlässiger macht. Dies führt zu einem System mit reduziertem Gewicht, kleinerer Größe, erhöhter Leistung und erhöhter Betriebssicherheit. Die geringere Anzahl von Bauteilen und reduzierte Wartung werden zu niedrigeren Produktkosten und niedrigeren Betriebskosten führen. Reduziertes Gewicht und reduzierte Größe korrelieren mit Wettbewerbsvorteilen während eines Flugs.
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Diese schriftliche Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart, zu offenbaren, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Eine elektrische Maschine 10 weist eine Gleichrichtereinrichtung 32 auf, die innerhalb einer rotierenden Welle 24 der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist, um die Wechselstromausgabe der elektrischen Maschine 10 vor der Übertragung der Elektrizität von der Maschine 10 weg in Gleichstrom umzuwandeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Maschineneinrichtung
- 12
- Erste Maschine
- 14
- Erregerrotor
- 16
- Erregerstator
- 18
- Zweite Maschine
- 20
- Hauptmaschinenrotor
- 22
- Hauptmaschinenstator
- 24
- Drehbare Welle
- 26
- Gemeinsame Achse
- 28
- Lager
- 29
- Zugangsöffnungen
- 30
- Wellenrohr
- 32
- Gleichrichtereinrichtung
- 34
- Elektrische Stromleitung
- 36
- Leiter
- 38
- Hauptwicklungen
- 40
- Montageverbinderöffnungen
- 42
- Zugangsöffnung
- 44
- Ankerbefestigeröffnungen
- 48
- Erstes elektrisches Segment
- 50
- Zweites elektrisches Segment
- 52
- Isolierendes Segment
- 54
- Mechanische Befestigungsöffnungen
- 55
- Mechanischer Befestiger
- 56
- Ankerbefestigerbasisvorrrichtung
- 58
- Axialer Kühlmitteldurchgang
- 62
- Wechselstrombusschiene
- 63
- Gleichstrombusschiene
- 64
- Montageverbinder
- 66
- Oberflächennut
- 67
- Mechanische Befestigungsmittel
- 68
- Stifte
- 69
- Öffnungen
- 74
- Diodensitz
- 76
- Diodenanordnung
- 80
- Diode
- 82
- Diodensatz
- 90
- Anschlussschiene
- 92
- Federfinger
- 96
- Halterung
- 98
- Erhöhung
- 100
- Befestigeröffnung
- 102
- Fläche
- 132
- Gleichrichtereinrichtung
- 148
- Erstes elektrisches Segment
- 150
- Zweites elektrisches Segment
- 152
- Isolierendes Segment
