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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere einen elektrischen Motor
oder einen elektrischen Generator, mit einem Stator sowie mit einem
hierzu koaxialen, drehbar gelagerten Rotor. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Maschine der genannten Art zur Anwendung bei einem
Wasserkraftwerk, vor allem bei einem Pumpspeicherwerk.
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Ein Pumpspeicherwerk umfasst eine
hydraulische Maschine, die sowohl als Pumpe wie auch als Turbine
betrieben werden kann, ferner eine elektrische Rotationsmaschine,
die sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden kann,
weiterhin einen hochgelegenen Wasserspeicher und einen tiefgelegenen
Wasserspeicher (Oberwasserspeicher und Unterwasserspeicher).
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Im stromerzeugenden Betrieb strömt der hydraulischen
Maschine aus dem Obenwasserspeicher Wasser zu. Die hydraulische
Maschine wird als Turbine betrieben. Sie treibt die elektrische
Maschine an, die in diesem Falle als Generator betrieben wird und einem
Netz elektrische Energie einspeist. Das Wasser, das durch die Turbine
geströmt
ist, tritt in den Unterwasserspeicher ein. Dieser Betrieb wird im
Allgemeinen während
der Tageszeit gefahren.
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Im stromverbrauchenden Betrieb wird
die elektrische Maschine als Motor betrieben. Sie entnimmt dabei
dem Netz elektrische Energie. Sie treibt die hydraulische Maschine
an, die als Pumpe betrieben wird und Wasser vom Unterwasserspeicher
zum Oberwasserspeicher fördert.
Dieser Betrieb wird im Allgemeinen während der Nachtstunden gefahren.
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Die Pumpturbinen sind meist nach
dem Francis-Prinzip aufgebaut.
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Die hydraulische Maschine hat einen
optimalen Wirkungsgrad, der bei einer bestimmten Drehzahl erreicht
wird. Diese Drehzahl ist im Turbinenbetrieb eine andere, als im
Pumpbetrieb. Dies bedeutet, dass es bei einer hydraulischen Maschine
der genannten Bauart keine Drehzahl („optimale Drehzahl") gibt, bei der die
Maschine im einen wie im anderen Betriebsmodus ihren optimalen Wirkungsgrad
hat. Die zugehörende
elektrische Maschine hingegen hat eine bestimmte, feste Drehzahl,
mit der sie umläuft. Wird
die elektrische Maschine mit einer hydraulischen Maschine zusammengekoppelt,
so ist die Drehzahl der hydraulischen Maschine damit vorgegeben.
Man wird daher die elektrische Maschine nur derart auslegen können, dass
sie mit einer Drehzahl umläuft,
die nur annähernd
der optimalen Drehzahl der hydraulischen Maschine beim einen oder
beim anderen Betriebsmodus entspricht. Die Drehzahl stellt somit
stets einen Kompromiss dar, aber nicht den Idealfall.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
elektrische Maschine, die als Motor wie auch als Generator betrieben
werden kann, derart zu gestalten, dass sie mit unterschiedlichen
Drehzahlen betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht somit darin, die elektrische
Maschine mit einem einzigen Rotor aber mit zwei Statoren auszustatten,
und den Rotor auf seiner Außenseite
und seiner Innenseite mit Polen zu versehen. Die Anzahl der Pole
auf beiden Seiten des Rotors können
unterschiedlich gewählt
werden. Die Maschine kann somit mit zwei verschiedenen Drehzahlen
betrieben werden.
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Sie hat den Vorteil eines verringerten
Bauvolumens gegenüber
bekannten Anlagen, bei welchen statt einer einzigen elektrischen
Maschine zwei oder mehrere solcher Maschinen eingesetzt werden müssen.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung
näher erläutert. Darin
ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
- 1 zeigt in einem Axialschnitt
eine erste Ausführungsform
einer elektrischen Maschine mit schematisch angedeuteter Turbine.
- 2 zeigt eine zweite
Ausführungsform
einer elektrischen Maschine mit einer schematisch angedeuteten Turbine.
- 3 zeigt eine dritte
Ausführungsform
einer elektrischen Maschine mit einer schematisch angedeuteten Turbine.
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Der in 1 dargestellte
Maschinensatz umfasst eine elektrische Maschine mit einer hydraulischen
Maschine.
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Die hydraulische Maschine ist eine
Pumpturbine 10. Beide Maschinen sitzen auf ein- und derselben
Welle 11.
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Die elektrische Maschine umfasst
einen Rotor 1, der drehbar gelagert ist. Sie umfasst ferner
zwei Statoren, nämlich
einen Innenstator 2 und einen Außenstator 3. Beide
Statoren sind konzentrisch zum Rotor 1 angeordnet. Sie
hüllen
den Rotor – in
dieser Darstellung gesehen – sandwichartig
ein.
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Rotor 1 weist ein Rotorjoch 1.1 auf.
Auf seiner Innenseite sowie auf seiner Außenseite befinden sich jeweils
mehrere Pole 1.3, 1.4, die um die Maschinenachse 11 herumgruppiert
sind.
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Der Innenstator 2 weist
ein Statorblechpaket 2.1 auf, und der Außenstator 3 ein
Statorblechpaket 3.1.
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Die elektrische Maschine ist in einem
Fundament 4 gelagert. Siehe die Lagerstellen 5.1, 5.2, 5.3.
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Wie man erkennt, ist der Rotor 1 in
dieser Darstellung U-förmig.
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Bei der Ausführung gemäß 2 hat
der Rotor eine etwas andere Gestalt. Er ist in dieser Darstellung
L-förmig.
Alle anderen Bauteile sind im Wesentlichen gleich wie bei der Ausführungsform
gemäß 1.
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Die Ausführung gemäß 3 umfasst
einen Rotor 1, der wiederum etwas anders gestaltet ist,
als gemäß der vorausgegangenen
Ausführungsformen. Hierbei
sind zwei Lagerstellen 5.4, 5.5 zwischen dem Rotor 1 und
dem Innenstator 2 vorgesehen.
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Die Pole 1.3 auf der Innenseite
des Rotors 1 und die Pole 1.4 auf der Außenseite
des Rotors 1 sind von ungleicher Anzahl. Demzufolge lässt sich die
elektrische Maschine bei den beiden unterschiedlichen Drehsinnen
mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben. Die Anzahl und/oder
die sonstigen Parameter der Pole 1.3, 1.4 sind
dabei derart ausgewählt, dass
die Maschine im einen und im anderen Drehsinn jeweils eine solche
Drehzahl aufweist, die dem Turbinenbetrieb beziehungsweise dem Pumpbetrieb der
hydraulischen Maschine 10 angepasst ist, um diese jeweils
bei optimalem Wirkungsgrad betreiben zu können.
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Es können Vorkehrungen getroffen
sein, den Rotor umzugestalten, und ihn mit anderen Polen zu bestücken.
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Hydroelektrische Maschinen wie Pumpturbinen
und Francis-Turbinen mit variabler Drehzahl weisen gegenüber Maschinen
mit einer fixen Drehzahl die folgenden Vorteile auf: Durch die Anpassung
der Drehzahl können
solche Maschinen effizient eingesetzt werden in Fällen, wo
ein weiter Fallhöhenbereich
zu verarbeiten ist. Damit kann der Kraftwerkswirkungsgrad wesentlich
verbessert werden. Durch die Anwendung von variablen Drehzahlen
ist es möglich,
Pumpturbinen sowohl im Pumpbetrieb als auch im Generatorbetrieb
jeweils im optimalen Betriebsbereich zu betreiben. Im Teillastbereich
kann bei Maschinen mit variabler Drehzahl das Betriebsverhalten in
Bezug auf Laufruhe verbessert werden.
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Mögliche
Konstruktionsprinzipien: Sowohl die innere als auch die äußere Maschine
kann als Generator oder Motor betrieben werden.
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Die Polreihen können sowohl innen und außen als
auch in der Mitte des Jochs angeordnet sein, auch nur eine umschaltbare
Polreihe anstelle von zwei Polreihen kann zur Ausführung kommen.
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Der innere Ständer kann auch im Rotor durch
ein Lager abgestützt
sein. Die Pole können
mit üblichen
Wicklungen als auch supraleitend oder mit Permanentmagneten ausgeführt sein.
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Die Maschinenkühlung kann mit Wellenlüftern, Fremdlüftern oder
auch mit Rim-Belüftung ausgeführt werden.
Ein Wellenlüfter
kann durch geeignete Abdeckungen quasi abgeschaltet werden.