DE1082977B

DE1082977B - Anordnung zur Gewinnung von Wechselstroemen mittlerer Frequenz, insbesondere zur Erzeugung von Ultraschall grosser Leistung

Info

Publication number: DE1082977B
Application number: DES50106A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Josef Tittel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-08-25
Filing date: 1956-08-25
Publication date: 1960-06-09

Description

Anordnung z ' ur Gewinnung von Wechselströmen mittlerer Frequenz, insbesondere -zur Erzeugung von Ultraschall großer Leistung -Zur Erzeugung von Ultraschall werden Wechselspannungen im mittleren Frequenzgehiet, also etwa von lOkHz bis 60kHz und höher, benötigt. In mit Ultraschall beschickten Bädern werden beispielsweise zum Entrosten von Blechen, Entfernen von Lack u. dgl. große Leistungen benötigt. Die zur Erzeugung derartiger Leistungen erforderlichen Röhrensender nehmen unwirtschaftlich große Ausmaße an; außerdem besitzen die Röhren dieser Sender nur eine beschränkte Lebensdauer. Ferner sind die Röhren sehr empfindlich gegen große Spannungssprünge, die durch plötzliche große Laständerungen hervorgerufen werden, wie sie bei mit Ultraschall betriebenen Einrichtungen vorkommen. Man ist daher bemüht, die be- nötigten Frequenzen durch umlaufende elektrische Maschinen, also durch Mittelfrequenzgeneratoren zu erzeugen.
Zum Antrieb von Kleinmotoren ist es bekannt, Spannungen im Frequenzbereich von 0,1 kHz bis etwa 10 kHz mit Hilfe eines Mittelf requenzgenerators in Gleichpolbauart zu erzeugen, der auf einer horizontal angetriebenen Welle unmittelbar mit dem Antriebsmotor gekuppelt ist. Zur Erzeugung von Spannungen höherer Frequenz, wie sie beispielsweise für, die eingangs genannten Zwecke benötigt werden, kommen solche Anlagen nicht in Frage, da, die mit ihnen erzeugte Leistung zu gering ist.
. -Weiterhin ist es zur Erzeugung von Mittelfrequenz, bekannt, einen vertikal angeordneten, in Gleichpolbauart ausgeführten Mittelfrequenzgenerator von einem ebenfalls vertikal angeordneten Asynchronmotor anzutreiben. Mit diese j. A22,#dm ng,:" Jassen sich eben--5 .- . 4## _ .
falls nur Frequenzen bis zu 10 kHz mit einer Leistung von 'etwa 300 kW erreichen, so daß diese- Anordnung ebenfalls nicht für die eingangs genannt en Zwecke eingesetzt werden kann.
Durch die Erfindung wird eine Anordnung' geschaffen, die imstande ist, bei möglichst geringem Aufwand im Frequenzgebiet von lOkHz bis 60kHz und höher'relativ große Leistungen, also beispielsweise-einige 100kW und mehr, abzugeben. Die Erfindufig geht dabei von einem in Gleichpolbauart ausgeführten, vertikal angeordneten Mittelfrequ'en'z'generator aus, dessen wicklungsloser Läufer von dem Kurzschlußläufer ebenfalls vertikal angeordneten elektrischen Maschine angetrieben wird. Gemäß der Etfindung wird der Mittelf requenzgenerator durch die unmittelbar mit ihm gekuppelte elektrische Maschine, die *vorzugsweise zweipolig ist, mit einer Drehzahl betrieben, die erheblich über 3000 U/min liegt; gleichzeitig wird das die Läufer des Mittelfrequenzgenerators und der elektrischen Maschine tragende Lager durch die Anziehungskraft, die ein Magnet auf einen mit den beiden Läufern verbundenen Anker ausübt, ganz oder teilweise entlastet. Infolge der vertikalen Anordnung -bei gleichzeitiger magnetischer Entlastung des tragenden Lagers, wie sie an sich beispielsweise für Wasserkraftgeneratoren bekannt ist, kann die Drehzahl eines solchen Aggregates beliebig gesteigert werden, und zwar: auch dann, Wenn der in Gl,iicüpölhauart ausgebildete Mittelfrequenzgenerator relativ große Leistungen abgeben muß.
7 Wird also beispielsweise die den Mittelfrequenzgenerator antreibende elektrische Maschine zweipolig ausgeführt und mit einer Wechselspannung von beispielsweise 700 Hz -gespeist, so ergeben sich bei einer Drehzahl, von 42 000 U/min keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Ausgestaltung der Lager, und es treten auch keine ins Gewicht fallende Lagerverluste auf ' vielmehr lassen sich die Lagerverluste bei völliger Entlastung des tragenden Lagers praktisch auf Null reduzieren. Die Verluste einer solchen Anlage sind im wesentlichen durch die Luftreibung gegeben; aber auch diese kann in beachtlichem Maße herabgesetzt werden, wennin an sich bdkannter Weise die in vertikaler Richtung untereinander angeordneten Maschinen in einem abgekapselten und mit Wasserstoff gefüllten Gehäuse untergebracht werden.
.Sollen in einer Anlage mehrere Ultraschallbäder betrieben werden, denen Jeweils eine Anordnung gemäß der Erfindung zugeordnet ist, so empfiehlt es sich, die Wechselspannung von beispielsweise 700 Hz mittels eines einzigen Generators zu erzeugen. Man muß dann allerdings auf eine individuelle Frequenzregelung der einzelnen Ultraschallbäder verzichten. Um diesen Nachteil zu beheben, kann man diese Wechselspannung für jede einzelne Anordnung gemäß der Erfindung getrennt erzeugen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens trägt daher der Ständer der mit dem Mittelfrequenzgenerator gekuppelten elektrischen Maschine an seiner Außenseite eine zweite vielpolige Wicklung, die die auf der Innenseite des Ständers angeordnete Wicklung speist und deren zugehörige induzierende Wicklung sich auf einem den Ständer konzentrisch umgebenden Außenläufer befindet, der von einem aus dem Ortsnetz (50 Hz) gespeisten Antriebsmotor angetrieben wird. Man erhält auf diese Weise für jedes Ultraschallbad eine in sich geschlossene Anordnung, die sich bei geringem Raumbedarf hinsichtlich der abgegebenen Frequenz regeln läßt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, dem weitere Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen sind.
Der in Gleichpolbauart ausgeführte Mittelfrequenzgenerator 1 ist vertikal angeordnet. Sein Feld wird durch die im stillstehenden Ständer 2 angeordnete Gleichstromerregerwicklung 3 erregt, Um die Luftreibungsverluste zu vermindern, werden die Pollücken im Läufer und im Ständer des Mittelfrequenzgenerators 1 mit einem elektrisch nichtleitenden, unmagnetischen Material ausgefüllt. Als solches Material kommt vorzugsweise ein aushärtbares Gießharz, beispielsweise ein Polyesterbarz oder ein Äthoxylinharz, in Frage, dem anorganische oder organische Füllstoffe, wie z. B. Glasfasern oder Glasgewebe, zugesetzt sind.
Der wicklungslose Läufer 4 des Mittelfrequenzgenerators 1 ist unmittelbar mit dem Kurzschlußläufer 5 der elektrischen Maschine 6 gekuppelt. Die Wicklung des Kurzschlußläufers 5 ist als Kurzschlußkäfig oder als Kurzschlußwicklung mit mehreren Stäben je Strang ausgeführt. Der wicklungslose Läufer 4 und der Kurzschlußläufer 5 werden bei Stillstand vom Lager 7 getragen. Während des Betriebes werden sie durch die Anziehungskraft, die der Magnet 8 auf den auf der Welle der beiden Uäufer 4 und 5 sitzenden Anker 9 ausübt, frei getragen. Der Anker 9 und der Magnet 8 sind derart angeordnet, daß der magnetische Fluß im Luftspalt zwischen Anker 9 und Magnet 8 in horizontaler Richtung verläuft. Infolge der hohen Drehzahl der Läufer4 und 5 erübrigt es sich, für ihre Welle ein besonderes Führungslager vorzusehen; sie stabilisieren sich vielmehr von selbst. Lediglich zum Anlauf sind an der Spitze und etwa in der Mitte der Welle der beiden Läufer 4 und 5 die beiden Lager 22 und 23 vorgesehen, die bei überschreiten der Stabilisierungsdrehzahl (Kreiseleffekt) freigegeben werden und erst nach dem Erreichen der Enddrehzahl zur Sicherung wieder an die Welle geführt werden.
Der stillstehende, mit dem Gehäuse 10 verbundene Ständer 11 der elektrischen Maschine 6, an dessen Innenseite eine dem Kurzschlußläufer 5 zugeordnete zweipolige Dreiphasenwicklung angeordnet ist, trägt an seiner Außenseite eine zweite beispielsweise achtundzwanzigpolige Dreiphasenwicklung, die die innere zweipolige Dreiphasenwicklung speist und die von einer Gleichstromerregerwicklung induziert wird, die auf dem Ständer 11 konzentrisch umgebenden Außenläufer 12 angeordnet ist. Der Außenläufer 12 wird von dem aus dem Ortsnetz (50 Hz) gespeisten Antriebsmotor 13 angetrieben. Zu diesem Zweck ist der Außenläufer 12 mittels der Speichen 14 an der Welle des Läufers 15 des Antriebsmotors 13 befestigt. Der Antriebsmotor 13 ist zweipolig und als asynchroner Schleifringläufer ausgeführt. Sein Läufer 15 und der Außenläufer 12 werden vom Lager 16 getragen, das durch die Anziehungskraft des Hubmagneten 17 entlastet wird.
Das Gehäuse 10, in dem sich die in vertikaler Richtunk untereinander angeordneten Maschinen befinden, ist abgekapselt und zur Kühlung mit Wasserstoff gefüllt. Durch die Trennwände 18 und 19 wird erreicht, daß die Kühlkreisläufe der einzelnen Maschinen getrennt sind. In den Kühlkreisläufen für den Mittelf requenzgenerator 1 und den Antriebsmotor 13 befinden sich die Rückkühleinrichtungen 20 und 21. Die Kühlung der elektrischen Maschine 6 wird dadurch erreicht, daß die Speichen 14, mit denen der Außenläufer 12 an der Welle des Antriebsmotors 13 befestigt ist, als Lüfter ausgebildet sind.
Die Anordnung gemäß der Erfindung hat einen äußerst geringen Raumbedarf, so daß sie sich unmittelbar neben den Ultraschall benötigenden Einrichtungen aufstellen läßt, zwar insbesondere dann, wenn - wie in der Figur angedeutet - die elektrische Maschine 6 und der Antriebsmotor 13 in das Fundament eingesenkt sind. Die Leistungen, die mit der Anordnung gemäß der Erfindung abgegeben werden, können beispielsweise einige 100 kW betragen. Der wicklungslose Läufer 4 des Mittelfrequenzgenerators 1 läßt sich z. B., ohne daß sein Durchmesser zu stark ansteigt, mit einer Polpaarzahl 2 p # 160 bauen, so daß sich für die oben beispielsweise angegebene Drehzahl von 42 000 U/min eine Frequenz von 56 kHz ergibt.
Das Anfahren der Anordnung gemäß der Erfindung erfolgt allmählich, indem mit dem nicht dargestellten Anlaßwiderstand des Antriebsmotors 13 nach kurzem asynchronem Anfahren die elektrische Maschine 6 synchron in Frequenzanlauf hochgefahren wird. Die Regelung der von der Anordnung gemäß der Erfindung abgegebenen Frequenz erfolgt durch Regeln der Drehzahl des Antriebsmotors 13 mit Hilfe des Anlaßwiderstandes.
Statt auf dem Außenläufer 12 eine Gleichstromerregerwicklung vorzusehen, kann der Außenläufer auch als Kurzschlußläufer ausgebildet werden; die auf der Außenseite des Ständers 11 befindlichevielpoligeDreiphasenwicklung muß dann durch Kondensatoren erregt werden.

Claims

PATENTANSPRüCHE: 1. Anordnung zur Gewinnung von Wechselströmen mittlerer Frequenz, insbesondere zur Erzeugung von Ultraschall großer Leistung, mittels eines in Gleichpolbauart ausgeführten, vertikal angeordneten Mittelfrequenzgenerators, dessen wicklungsloser Läufer von dem Kurzschlußläufer einer ebenfalls vertikal angeordneten elektrischen Maschine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelfrequenzgenerator (1) durch die unmittelbar mit ihm gekuppelte elektrische Maschine (6), die vorzugsweise zweipolig ist, mit einer Drehzahl betrieben wird, die erheblich über 3000U/min liegt, und daß das die Läufer (4,5) des Mittelfrequenzgenerators (1) und der elektrischen Maschine (6) tragende Lager (7) durch die Anziehungskraft, die ein Magnet (8) auf einen mit den beiden Läufern verbundenen Anker (9) ausübt, ganz oder teilweise entlastet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Gleichstrom erregte Magnet (8) die beiden Läufer (4,5) während des Betriebes frei trägt und derart angeordnet ist, daß der magnetische Fluß im Luftspalt zwischen Magnet (8) und Anker (9) in horizontaler Richtung verläuft. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wi#cklung des Kurzschlußläufers (5) als Kurzschlußwicklung mit mehreren Stäben je Strang ausgeführt ist. 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (11) der mit dem Mittelfrequenzgenerator (1) gekuppelten elektrischen Maschine (6) an seiner Außenseite eine zweite vielpolige Wicklung trägt, die die auf der Innenseite des Ständers (11) angeordnete Wicklung speist und deren zugehörige induzierende Wicklung sich auf einem den Ständer (11) konzentrisch umgebenden Außenläufer (12) befindet, der von einem aus dem Ortsnetz gespeisten Antriebsmotor (13) angetrieben wird. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induzierende Wicklung auf dem Außenläufer (12) eine Gleichstromerregerwicklung ist. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufer (12) als Kurzschlußläufer ausgebildet ist und daß die diesem zugeordnete, auf der Außenseite des Ständers (11) befindliche Wicklung eine durch Kondensatoren erregte Mehrphasenwicklung ist. 7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Ortsnetz gespeiste Antriebsmotor (13) ein vorzugsweise zweipoliger Asynchronmotor mit Schleifringläufer ist. 8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der, Außenläufer (12) mit dem Läufer (15) des Antriebsmotors (13) unmittelbar gekuppelt ist und daß das die beiden Läufer tragende Lager (16) durch die Anziehungskraft eines Hubmagneten (17) ganz oder teilweise entlastet ist. 9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die in vertikaler Richtung untereinander angeordneten Maschinen in einem abgekuppelten und mit Wasserstoff gefüllten Gehäuse (10) befinden. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Maschinen getrennte Kühlkreisläufe vorgesehen sind. 11. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (14), mit denen der Außenläufer (12) an der Welle des Läufers (15)'des Antriebsmotors (13) befestigt ist, als Lüfter ausgebildet sind. 12. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der voraufgehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollücken des Läufers (4) und/oder des Ständers des Mittelfrequenzgenerators (1) mit einem elektrisch nichtleitenden, unmagnetischen Material ausgefüllt sind. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollücken mit einem aushärtbaren Gießharz, beispielsweise einem Äthoxylinharz oder einem Polyesterharz, ausgefüllt sind. 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem aushärtbaren Gießharz anorganische oder organische Füllstoffe, z. B. Glasfasern, Glasgewebe od. dgl., zugesetzt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 314451; USA.-Patentschrift Nr. 2 648 021; österreichische Patentschrift Nr. 92 424; Firmensonderdruck der SSW, »Großstromerzeuger«, S. 29, Bild 34.