DE1063262B

DE1063262B - Synchronmaschine ohne Schleifringe mit umlaufender Gleichrichteranordnung

Info

Publication number: DE1063262B
Application number: DEW22814A
Authority: DE
Inventors: Robert C Barrows; Herman J Braun
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1957-03-12
Filing date: 1958-02-21
Publication date: 1959-08-13
Also published as: JPS3729704Y1; FR1205210A; CA587388A; US2897383A; CH355513A

Description

Synchronmaschine ohne Schleifringe mit umlaufender Gleichrichteranordnung Synchronmaschinen ohne Schleifringe haben einen feststehenden Teil mit einer Wechselstromankerwicklung und einen umlaufenden Teil mit einer Gleichstromerregerwicklung. Die Erregung für die Gleichstromerregerwicklung wird von einer Wechselstromerregermaschine geliefert, die einen feststehenden Erregerteil und einen umlaufenden Wechselstromankerteil besitzt, der auf derselben Welle montiert ist wie der Erregerteil der Hauptmaschine. Die Ankerwicklung der Erregermaschine ist mit der Gleichstromerregerwicklung der Hauptmaschine über eine umlaufende Gleichrichteranordnung, die auf derselben Welle sitzt, verbunden. Auf diese Weise wird eine Wechselstrommaschine geschaffen, die viele Vorteile besitzt, da sie keinen Kommutator, keine Schleifringe oder Bürsten besitzt, wie sie sonst benötigt werden.
Die bei Synchronmaschinen ohne Schleifringe benutzte umlaufende Gleichrichteranordnung besteht aus einer passenden Anzahl von Halbleitergleichrichtern, die zu einem Gleichrichterkreis zusammengeschaltet sind. Bei den bekannten Maschinen dieser Art sind die Gleichrichter auf einer auf der Welle befestigten kreisförmigen Scheibe zwischen der Hauptmaschine und der Erregermaschine angeordnet. Eine umlaufende Gleichrichteranordnung dieser Art ist verhältnismäßig groß und beansprucht einen beträchtlichen Raum, wodurch die Länge der Maschine in unerwünschter Weise vergrößert wird. Die Gleichrichter selber sind großen Fliehkräften ausgesetzt, besonders im Falle von schnell laufenden Maschinen, wie z. B. Luftfahrzeuggeneratoren, die mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen laufen müssen, um eine Frequenz von 400 Hz zu liefern. Die Gleichrichter lassen sich nur sehr schwer ausreichend kühlen. Auch sind sie im Bedarfsfall nicht leicht zugänglich.
Durch die Erfindung werden die geschilderten Nachteile vermieden. Die Erfindung sieht vor, die Welle der Maschine als Hohlwelle auszubilden, in deren Innern sich die umlaufende Gleichrichteranordnung befindet. Auf diese Weise wird erreicht, daß der für die Synchronmaschine benötigte Raum auf ein Mindestmaß verringert ist und daß überdies die auf die umlaufende Gleichrichteranordnung einwirkenden Zentrifugalkräfte sehr klein sind. Die umlaufende Gleichrichteranordnung ist außerdem leicht zugänglich, was beispielsweise für Reparaturzwecke von besonderem Vorteil ist. Außerdem läßt sich die umlaufende Gleichrichteranordnung leicht wirksam kühlen, indem man beispielsweise die Hohlwelle von einer Kühlflüssigkeit durchströmen läßt. Die Kühlflüssigkeit hat dann einen guten thermischen Kontakt mit den umlaufenden Gleichrichtern, so daß die Kühlwirkung sehr groß ist. An Hand des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung erläutert. In Fig. 1 ist eine gemäß der Erfindung -ausgebildete elektrische Maschine im Schnitt wiedergegeben, deren Schaltung in Fig. 2 schematisch dargestellt ist; Fig. 3 ist ein Teilquerschnitt längs der Linie III-III der Fig. 1.
Die Erfindung, die sich ganz allgemein auf Synchronmaschinen ohne Schleifringe bezieht, ist in den Figuren am Beispiel eines flüssigkeitsgekühlten Wechselstromgenerators für Luftfahrzeuge erläutert. Dieser Generator ist vom Gehäuse 1 umgeben, das an seinem rechten Ende durch das Lagerschild 2 abgeschlossen ist. Die Maschine wird von der Hohlwelle 3 getragen, die an ihrem linken Ende durch den Wellenstumpf 4 verschlossen ist, der durch die Schrauben 5 mit der Welle 3 verschraubt ist. Das rechte Ende der Hohlwelle 3 hat einen geringeren Durchmesser und ist im Wälzlager 6, das in einer Bohrung des Lagerschildes 2 eingesetzt ist, gelagert. Die Lagerbohrung wird durch die Kappe 7 abgeschlossen, die durch die Schrauben 8 mit dem Lagerschild 2 verschraubt ist. Die innere Seite der Lagerbohrung ist durch die Öldichtung 9 abgedichtet, damit ein Austreten von Schmiermittel aus dem Lager in die Maschine verhindert wird.
Die in den Figuren dargestellte Maschine besitzt nur ein Lager, da der Wellenstumpf 4 an seinem linken Ende mit Hilfe des Teiles 10 und des Flansches 11 an eine nicht dargestellte Antriebsmaschine angesetzt wird, die auf dieser Seite ihr eigenes Lager hat.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Maschine besteht aus dem Drehstromgenerator 12 und der Erregermaschine 17. Der Ständer des Drehstromgenerators 12 besteht aus dem Blechpaket 13, das im Gehäuse 1 gelagert ist, und der Drehstromwicklung 14. Auf der Hohlwelle 3 sitzt der Erregerteil des Generators 12. Dieser Erregerteil besteht aus einer geeigneten Anzahl von ausgeprägten Polen 15, die die Gleichstromerregerwicklung 16 tragen. Die Drehstromwicklung 14 ist an das Klemmbrett 50 angeschlossen.
Der Erregerstrom für die Erregerstromwicklung 16 wird von der Wechselstromerregermaschine 17 geliefert, die einen feststehenden Gleichstromerregerteil 18 mit der Erregerwicklung 19 besitzt. Der umlaufende Anker der Erregermaschine 17 besteht aus dem Blechpaket 20, das auf der Hohlwelle 3 sitzt, und der Drehstromwicklung 21.
Die Erregerwicklung 19 der Erregermaschine 17 wird durch Gleichstrom aus einer geeigneten äußeren Quelle oder durch den vom Generator 12 abgegebenen Strom über einen Gleichrichter und einen Spannungsregler erregt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Drehstromwicklung 21 der Erregermaschine 17 mit der Erregerwicklung 16 des Generators 12 durch die umlaufende Gleichrichteranordnung 22 verbunden, die in üblicher Drehstrombrückenschaltung geschaltet ist. Da die Drehstromwicklung der Erregermaschine 17, die Gleichrichteranordnung 22 und die Erregerwicklung 16 des Generators 12 auf ein und derselben Welle sitzen, können sie unmittelbar miteinander verbunden werden, ohne das Kommutatoren, Bürsten oder Schleifringe benötigt werden.
Entsprechend der Erfindung ist die umlaufende Gleichrichteranordnung 22 innerhalb der Hohlwelle 3 untergebracht und in dem rohrförmigen Gehäuse 23 montiert, das konzentrisch innerhalb der Hohlwelle 3 gelagert ist, so daß es mit ihr umläuft.
Die umlaufende Gleichrichteranordnung 22 besteht aus einer geeigneten Anzahl von Halbleitergleichrichtern (Siliziumgleichrichter) oder Dioden 24, die von becherförmigen Metallgehäusen 25 umgeben werden, die gleichzeitig als eine der Anschlußklemmen der Gleichrichter dienen. Eine Seite der Gleichrichterzelle 26 ist an die Innenfläche des Gehäuses 25 angelötet. Der flexible Leiter 27 ist an der anderen Seite der Gleichrichterzelle 26 befestigt und mit der starren Klemme 28 verbunden, die aus dem Gehäuse 25 herausragt und durch die isolierende Durchführung 29 vom Gehäuse isoliert wird. Das Gehäuse 29 ist abgedichtet und evakuiert bzw. mit einem trägen Gas gefüllt.
Eine geeignete Anzahl von Gleichrichtern 24 wird innerhalb des Gehäuses 23 durch die Leitungen 30 miteinander verbunden. Die Gleichrichter 24 sind im Gehäuse durch die kreisförmigen Abstandsstücke 31 aus Isoliermaterial befestigt und gegeneinander isoliert. Die kreisförmigen Abstandsstücke 31 sind in das Gehäuse 23 eingepaßt. Das Gehäuse 23 hat, wie in Fig. 3 gezeigt, zur Aufnahme der Leitungen 30 innere Nuten 32, durch die gleichzeitig eine Kühlflüssigkeit zur Abführung der Wärme aus den Gleichrichtern 24 hindurchgeleitet wird.
Das Gehäuse 23 wird konzentrisch von der Hohlwelle 3 umgeben und läuft mit ihr um. In der Kappe 7 am rechten Ende der Maschine ist das feststehende Hohlrohr 33 befestigt, das durch den verjüngten Teil der Hohlwelle 3 in das Gleichrichtergehäuse 23 hineinragt. Das Gehäuse 23 ist mit seinem rechten Ende auf dem Rohr 33 durch das Verschlußstück 34 drehbar abgestützt. Das linke Ende des Gehäuses 23 wird von der Stange 35 getragen, die durch den Stift 36 am Wellenstumpf 4 befestigt ist. Die Stange 35 ist mit dem Flansch 37 an dem am weitesten links liegenden Abstandsstück 31 befestigt, so daß die Gleichrichter 24 und die Abstandsstücke 31 gegen den Anschlag 38 am rechten Ende gedrückt werden. Die Stange 35 steht also mit dem Gehäuse 23 im Eingriff, so daß die Gleichrichteranordnung 22 gemeinsam mit der Hohlwelle 3 umläuft.
Die Leitungen 30 der Gleichrichteranordnung 22 bestehen aus drei Wechselstromzuführungsleitungen und zwei Gleichstromleitungen, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist. Die Leitungen 30 sind jeweils an die fünf Anschlußklemmen 39 angeschlossen, die wegen des bequemeren Zugangs im Wellenstumpf 4 am linken Ende der Maschine angebracht sind. Die Klemmen 39 werden in der Hohlwelle 3 unter gleichzeitiger Flüssigkeitsabdichtung befestigt, damit das Entweichen der Kühlflüssigkeit, mit der die Hohlwelle 3 während des Betriebes gefüllt ist, verhindert wird. Die Wechselstromzuführungsleitungen sind über Leitungen 40 an die Drehstromwicklung 21 angeschlossen, während die Gleichstromleitungen in gleicher Weise mit der Gleichstromerregerwicklung 16 verbunden sind.
Zu der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Maschine gehört ein elektrisch getrennter Hilfsgenerator 41, dessen mit dem Dauermagneten 42 ausgerüsteter Läufer sich auf dem verjüngten Teil der Hohlwelle 3 befindet. Die Ankerwicklung 43 des Hilfsgenerators 41, die auf dem Blechpaket 44 angeordnet ist, wird vom Lagerschild 2 getragen. Der Hilfsgenerator 41 liefert zusammen mit dem Gleichrichtersatz 45 Gleichstrom für Steuerzwecke; er ist vom Hauptgenerator 12 unabhängig.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Maschine ist eine flüssigkeitsgekühlte Maschine, die durch eine durch die Hohlwelle 3 fließende Kühlflüssigkeit, beispielsweise öl, gekühlt wird. Zur Kühlung der feststehenden Teile der Maschine ist die schraubenförmige Kühlschlange 46 im Gehäuse 1 vorgesehen.
Das Kühlöl wird der Maschine durch den radialen Kühlkanal 47 der Kappe 7 zugeführt und fließt durch das feststehende Hohlrohr 33 in das Gleichrichtergehäuse 23, wie es durch die Pfeile in Figl. 1 angedeutet wird. Das Kühlöl fließt also unmittelbar über die Gleichrichter 24, so daß sie sehr wirksam gekühlt werden, da das Kühlöl die Gleichrichter thermisch unmittelbar berührt. Das Kühlöl tritt dann am linken Ende des Gleichrichtergehäuses 23 in die Hohlwelle 3 über und fließt, da die Hohlwelle 3 an diesem Ende durch den Wellenstumpf 4 abgeschlossen ist, auf der Außenseite des Gehäuse 23 in den ringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse und der Innenfläche der Hohlwelle 3 zurück, so daß auch die auf der Hohlwelle 3 angeordneten Teile des Läufers wirkungsvoll gekühlt werden. Das Kühlöl entweicht schließlich aus dem rechten offenen Ende der Hohlwelle 3 in den Raum zwischen der Lagerbohrung und der Kappe 7, überflutet das Lager 6, so daß dieses gleichzeitig geschmiert wird, und tritt dann in den Kühlkanal 48 ein, der mit der schraubenförmigen Kühlschlange 46 verbunden ist, so daß das Kühlöl durch das Gehäuse 1 fließt und die feststehenden Teile der Maschine kühlt. Schließlich tritt das Kühlöl durch die Öffnung 49 des Flansches 11 aus.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Synchronmaschine ohne Schleifringe weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die umlaufende Gleichrichteranordnung ist innerhalb der Hohlwelle so untergebracht, daß sie wenig Platz benötigt. Die Gesamtlänge der Maschine ist nicht größer als eine mit einer Gleichstromerregermaschine versehene normale Maschine. Dies ist vor allem bei der Verwendung in Luftfahrzeugen von besonderer Bedeutung. Weiterhin sind auch die auf die Gleichrichter wirkenden Fliehkräfte auf ein Geringstmaß vermindert, da sie sich praktisch auf der Achse der Maschine befinden, so daß die Fliehkräfte auch dann recht niedrig sind, wenn die Maschine sehr schnell läuft. Die Anordnung der Gleichrichter innerhalb der Welle macht es auch möglich, sie sehr wirkungsvoll zu kühlen, da das Kühlmedium, sei es eine Flüssigkeit oder Luft, unmittelbar die Gleichrichter bestreichen kann. Ferner sind die Gleichrichter im Bedarfsfall leicht zugänglich, was bei älteren Konstruktionen, bei denen die Gleichrichter auf einer umlaufenden Scheibe zwischen dem Generator und der Erregermaschine befestigt sind, nicht der Fall ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Synchronmaschine ohne Schleifringe, deren auf dem Läufer befindliche Gleichstromerregerwicklung von einer umlaufenden Gleichrichteranordnung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle der Maschine als Hohlwelle (3) ausgebildet ist, in deren Innern sich die umlaufende Gleichrichteranordnung (22) befindet.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (3) von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Gleichrichteranordnung (22) von einem rohrförmigen Gehäuse (23) umgeben ist, das innerhalb der Hohlwelle (3) der Maschine mit ihr umläuft.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterzellen (24) der umlaufenden Gleichrichteranordnung (22) in dem rohrförmigen Gehäuse (23) in axialer Richtung aneinandergereiht sind.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gleichrichterzelle (24) der umlaufenden Gleichrichteranordnung (22) von einem metallischen Gehäuse (25) umgeben ist.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit innerhalb des die umlaufende Gleichrichteranordnung (22) einschließenden rohrförmigen Gehäuses (23) -vorzugsweise in Nuten (32) desselben - längs der Metallgehäuse (25) der Gleichrichterzellen (24) geführt ist.
7. Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit nach dem Durchströmen des rohrförmigen Gehäuses (23) in entgegengesetzter Richtung an der Außenfläche des rohrförmigen Gehäuses (23) innerhalb der Hohlwelle (3) entlang geführt ist. B.
Snychronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Gleichrichteranordnung (22) von einer auf der Welle (3) der Maschine sitzenden Wechselstromankerwicklung (21) gespeist wird, die von einer feststehenden, im Gehäuse der Synchronmaschine befindlichen Gleichstromerregerwicklung (19) induziert wird.
9. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung in Luftfahrzeugen. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 167 284.