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Elektrische Doppelmaschine in Scheibenbauweise Die Erfindung betrifft
eine elektrische Doppelmaschine in Scheibenbauweise mit' axialen Luftspalten, bei
der der Ständer in zwei `Wechselstromwicklungen tragende Ständerteilscheiten au°ge:cilt
h- t, zwischen denen eine Veränderungen: des magne= tischen Widerstandes hervorrufend_
e Läuferscheibe sitzt und bei der in einer Scheibe bzw. Teilscheibe eine ringförmige,
gleichstromgespeiste Erregerwicklung vorgesehen ist.
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Es sind elektrische Maschinen in Scheibenbauweise mit einem Ständer
und einem Läufer bekannt, bei denen der 'Ständer sowohl eine ringförmige Erregerwicklung
als auch eine Wechselstromwicklung trägt und bei denen der Läufer auf seiner dem
Ständer zugekehrten Stirnseite ein Klauenpolsystem aufweist. Die magnetischen Feldlinien
verlaufen in einer solchen Maschine zunächst vom Läufer über den axialen Nutzluftspalt
an einer ersten Stelle zum Ständer, im Ständer auf einer Zylindermantelfläche und
von ihm wieder durch den Nutzluftspalt an einer zweiten Stelle zurück zum Läufer.
Da der Erregerfluß jedoch durch die im Ständer liegende Erregerwicklung erzeugt
wird, müssen die den Weg des Flusses beschriebenden Feldlinien weiter vom Ständer
einerseits über einen dritten Luftspalt und beispielsweise über einen nahe der Welle
der Maschine gelegenen Weg zu den Nordpolen des Klauenpolsystems im Läufer und andererseits
über einen vierten Luftspalt und beispielsweise über das Gehäuse der Maschine zu
den Südpolen des Klauenpolsystems geleitet werden. Die Länge dieses magnetischen
Weges mit dem dadurch großen Streufluß, insbesondere aber die zwei ungenutzten Luftspalte,
bedingen bei den bekannten Maschinen große Erregerleistungsverluste und großen baulichen
Aufwand.
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Es ist weiter bekannt, zwei derartige Maschinen zu einer Doppelmaschine
zu vereinigen; 1 wobei das auf die Leistung der Maschine bezogene Gewicht dadurch
verringert wird, daß mindestens zwei in Eisen verlaufende Teilwege der Feldlinien
beider Maschinen vereinigt sind. Dabei bleibt jedoch die unvorteilhafte Länge der
Feldlinienwege, besonders aber der magnetische Widerstand der ungenutzten Luftspalte
bestehen, so daß auch hier eine hohe Erregerleistung aufgewendet werden muß.
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Die vorliegende Erfindung will die genannten Nachteile bekannter Maschinen
vermeiden und eine elektrische Doppelmaschine mit - auf die Gesamtleistung bezogen
- geringer Erregerleistung und mit geringem Leistungsgewicht schaffen. Sie geht
dazu von der Erkenntnis aus, daß die seither ungenutzten Luftspalte, über die sich
der Weg des von der ringförmigen Erregerwicklung erzeggten Gleichflusses zu den
Nord- und Südpolen des' Klauenpolsystems des Läufers einer solchen Maschine schließt,
ebenfalls nutzbar gemacht werden können, wenn sie in eitler neuen Weise angeordnet
werden.'Dabei ist dank prinzipiell die Anordnung der ringförmigen Erreger= wicklung
sowohl in einer Ständerteilscheibe als auch in der Läuferscheibe möglich. `Die der
Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Läuferscheibe. auf ihrer dem einen Luftspalt zugewandten Seite ein'= an sich bekanntes
- Klauenpolsystem mit inneren und äußeren Klauenpolen aufweist und an ihrer dem
anderen Luftspalt zugewandten Seite zur Erzielung einer unterschiedlichen magnetischen
Luftspaltleitfähigkeit - wie an sich bekannt - Zähne und Nuten hat;; das 'Klauenpolsystem
mit ° der ihm benachbarten Ständerteilscheibe arbeitet hierbei also- als elektrische
Maschine mit heteropolarer Erregung und der mit Nuten und Zähnen versehene Teil
der Läuferscheibe mit der anderen Ständerteilseheibe als elektrische Maschine mit
monopolarer Erregung.
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Die erfindungsgemäße Doppelmaschine kann motorisch angetrieben werden
und in ihren Ständerteilscheiben zwei Spannungen unterschiedlicher Frequenz und/oder
unterschiedlicher Phasenzahl -erzeugen. Andererseits ist eine besonders vorteilhafte
Verwendung der Maschine als Umformer, speziell als Frequenzumformer, in der Weise
möglich, daß die heteropolar erregte elektrische ' Maschine als Motot und die monopolar
erregte Maschine als Generator arbeitet.
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Die Bezeichnungen »Ständer« und »Läufern< sind willkürlich gewählt;
prinzipiell kommt es bei der erfindungsgemäßen Maschine, wie bei jeder rotierenden
elektrischen Maschine, nur auf die Relativbewe-'
gung zwischen Ständer
und Läufer, d. h. hier zwischen der mittleren Scheibe einerseits und den beiden
äußeren Teilscheiben andererseits, an. Die Rotation beider Teile gegeneinander könnte
also auch in der Weise erfolgen, daß die mittlere Scheibe feststeht und die beiden
äußeren miteinander mechanisch verbundenen Teilscheiben rotieren oder daß beide
Maschinenteile in jeweils gegensinniger Drehrichtung rotieren.
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Eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Maschine ist derart
ausgestaltet, daß die vom heteropolaren magnetischen Fluß durchsetzte Ständerteilscheibe
in axialer Richtung geblecht ist und an ihrer den Klauenpolen der Läuferscheibe
zugewandten Seite in radialen Wicklungsnuten Wechselstromwicklungen trägt, daß die
vom monopolaren magnetischen Fluß durchsetzte Ständerteilscheibe auf einem Teil
ihrer axialen Länge in der Nähe des Luftspaltes in axialer Richtung geblecht ist,
während sich hieran nach außen hin ein massiver Rückschlußteil anschließt, und daß
in dem geblechten Teil dieser Ständerteilscheibe eine - etwa in radialer Richtung
durchgehend verlaufende = Wechselstromwicklung liegt; die ringförmige Erreger*icklung
kann wie bei auf der Läuferscheibe angeordnet sein.
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Auch können die Nuten und Zähne in Höhe des Durchmessers der radial
durchlaufenden Erregerwicklung so gegeneinander versetzt sein, daß, in radialer
Richtung gesehen, an eine Nut ein Zahn anschließt, und umgekehrt.
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Die so aufgebaute Maschine ist also im wesentlichen-wie allgemein
üblich- dort geblecht, wo in ihr Flußänderungen nach Richtung und/oder Größe auftreten.
Durch das Versetzen der Nuten und Zähne in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung
wird den unterschiedlichen Flußänderungen in einer inneren Zone und einer äußeren
Ringzone des homopolar durchsetzten Luftspaltes Rechnung getragen. Diese Maßnahme
macht es möglich, die auf Grund gegensinnigen Flußänderungen im Prinzip gegensinnigen
Änderungen des Flusses in ihrer Wirkung auf eine einzige Wechselstromwicklung doch
gleichsinnig zu addieren und in der Wechselstromwicklung bei Generatorbetrieb eine
definierte Spannung zu erzeugen.
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Eine der Versetzung der Zähne und Nuten in Umfangsrichtung gleichwertige
Maßnahme besteht gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis darin,
bei durchgehendem radialen Verlauf der Zähne und Nuten die ihnen entsprechende Wechsel-Stromwicklung
der einen Ständerteilscheibe derart auszubilden, daß diese in Höhe des Durchmessers
der Erregerwicklung von einer radial innerhalb der Erregerwicklung gelegenen Wicklungsnut
auf die - in Umfangsrichtung gesehen - benachbarte Wicklungsnut außerhalb der Erregerwicklung
springt.
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Die ringförmige Erregerwicklung kann auch in dem Wechselstromwicklungen
tragenden geblechten Teil der monopolar erregten Ständerteilscheibe liegen.
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Als weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Doppelmaschine kann
zur Verhütung von Streuverlusten in der Läuferscheibe in Höhe des Durchmessers der
Erregerwicklung eine amagnetische Trennschicht vorgesehen sein, die den durch die
äußeren Klauenpole verlaufenden magnetischen Fluß von dem durch die inneren Klauenpole
verlaufenden magnetischen Fluß bis zu dem auf der den Klauenpolen abgewandten Seite
liegenden Luftspalt trennt. Weiter kann eine Verstellung des (gesamten) Nutzflusses
des generatorischen Teils der Maschine mittels eines magnetischen Nebenschlusses
erfolgen, der in an sich bekannter Weise eine verstellbare QuersChnittsänderung
darstellt. Auch ist eine Beeinflussung des Nutzflusses bei vorteilhafterVerktirzung
der Zeitkonstanten der Maschine dadurch möglich, daß das Eisen der vom monopolaren
magnetischen Fluß durchsetzten Ständerteilscheibe an der dem Luftspalt abgewandten
Stirnfläche eine ringförmige, auf der ganzen Teilscheibe verlaufende Nut aufweist
und daß zur Steuerung des magnetischen Flusses im Ständereisen in diese Nut ein
Eisenring mit entsprechendem Querschnitt einschiebbar ist.
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Zur Verstellung des Verhältnisses der Länge der beiden Luftspalte
der Doppelmaschine wird von dem an sich bekannten Mittel, den Luftspalt einer Scheibenmaschine
einstellbar zu machen, derart Gebrauch gemacht, daß die Läuferscheibe auf einer
feststehenden Achse gelagert ist und daß die Achse in axialer Richtung zur Einstellung
der Luftspalte verschiebbar ist. Damit ist es möglich, bei sachgemäßer Wahl des
Verhältnisses beider Luftspalte die auf den Läufer in axialer Richtung wirkenden
elektromagnetischen Kräfte vollkommen auszugleichen.
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Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Doppelmaschine betrifft
deren Kühlung. Durch die Nuten, Zähne und Trennfugen der Stirnflächen des Läufers
wird bereits ein aus dem Luftspalt kommender Kühlluftstrom erzeugt, ohne daß ein
besonderer Ventilator vorgesehen werden muß. Versieht man die äußere Stirnfläche
eines oder beider Scheibenteile zusätzlich mit einer spiralförmig verlaufenden Vertiefung,
so erzielt ein durch diese Vertiefung hindurchgeführtes Kühlmedium durch den besonders
großen Oberflächenkontakt eine sehr gute Kühlwirkung. Nach außen hin muß diese Vertiefung
mit einem Verschlußdeckel abgeschlossen sein, an dessen Außenseite wiederum dann
der zuvor genannte, aus dem Inneren der Maschine kommende Kühlluftstrom vorbeigeführt
werden kann. Eine solche Kühlung ist mit geringem Aufwand und sehr raumsparend ausführbar.
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Nachfolgend sollen einige Beispiele der Erfindung beschrieben werden.
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In F i g. 1 ist eine Doppelmaschine in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ausführung dargestellt, bei der der Ständer in zwei Teilscheiben 10 und 11 aufgeteilt
ist, zwischen denen eine mittlere Scheibe als Läufer mittels der Welle 13 drehbar
gelagert ist.
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Die Läuferscheibe 12 weist auf ihrer dem einen Luftspalt zugewandten,
in der Figur oberen Seite ein Klauenpolsystem mit inneren Klauenpolen 14 und äußeren
Klauenpolen 15 auf, dessen Ausbildung aus den weiteren Figuren noch hervorgeht,
und arbeitet zusammen mit der oberen Ständerteilscheibe 11 als Synchronmaschine
mit heteropolarer Erregung. Diese Ständerteilscheibe 11 ist in axialer Richtung
durchgehend geblecht und trägt an ihrer den Klauenpolen 14, 15 zugewandten Seite
in radialen Wicklungsnuten Wechselstromwicklungen 16 von üblichem Wicklungsschema.
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Auf ihrer in der F i g. 1 unteren Seite ist die mittlere Läuferscheibe
12 mit Nuten und Zähnen versehen, deren Anordnung aus den weiteren Figuren noch
genauer zu ersehen ist. Hier arbeitet die Läuferscheibe 12 mit der unteren Ständerteilscheibe
10 zusammen als Modulationsmaschine mit monopolarer
Erregung. Die
Ständerteilscheibe 10 ist auf einem Teil 17 ihrer axialen Länge in der Nähe des
Luftspaltes in axialer Richtung geblecht, während sich hieran nach außen ein massiver
Rückschlußtei118 anschließt. lm geblechten Teil 17 liegt eine in radialer Richtung
durchgehend verlaufende Wechselstromwicklung 19, deren tatsächlicher oder schematisch
angeordneter Verlauf aus F i g. 2 hervorgeht.
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Die Blechung des Teils 17 (F i g. 1) der Ständerteilscheibe 10 und
die axial durchgehende Blechung der oberen Ständerteilscheibe 11 können vorteilhaft
durch das Auspulen eines Blechstreifens aus geeignetem Material bis zum Erreichen
des jeweils gewünschten Durchmessers hergestellt werden.
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Die untere Ständerteilscheibe 10 trägt außer einer Wechselstromwicklung
19 weiter die ringförmige Erregerwicklung 20. Damit der von ihr erzeugte, in seinem
Weg strichpunktiert angedeutete Fluß nicht zwischen den inneren Klauenpolen 14 und
den äußeren Klauenpolen 15 des Läufers kurzgeschlossen wird, ist dort in Höhe des
Durchmessers der Erregerwicklung 20 eine amagnetische Trennschicht in Form eines
Ringes 21 vorgesehen.
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Die dem in F i g. 2 gezeigten Verlauf der Wechselstromwicklung 19
entsprechende Anordnung der Nuten und Zähne des Läufers 12 ist in F i g. 3 gezeigt.
Die Nuten 22 und Zähne 23 der inneren Luftspaltzone sind mit den inneren Klauenpolen
14
magnetisch verbunden, während die äußeren Nuten 24 und Zähne 25 von den
inneren durch den amagnetischen Ring 21 getrennt sind und den äußeren Klauenpolen
15 entsprechen. Die äußeren Nuten 24. und Zähne 25 sind dabei an dem amagnetischen
Ring 21 und damit in Höhe der Erregerwicklung 20 derart in Umfangsrichtung versetzt,
daß jeweils in radialer Richtung an eine Nut 22 ein Zahn 25 bzw. an einen Zahn 23
eine Nut 24 anschließt.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen die mittlere Läuferscheibe 12 zum besseren
Verständnis in perspektivischer Darstellung, wobei die Bezugszeichen den in den
F i g. 1, 2 und 3 gewählten entsprechen. Insbesondere ist zu erkennen, daß die inneren
Klauenpole 14 als bis zum Umfang des Läufers reichende Sektoren und die äußeren
Klauenpole 15 als ebenfalls sektorförmige Verlängerungen vom Umfang zur Welle 13
hin derart ausgebildet sind, daß beim Rotieren des Läufers 12 jeweils Klauenpole
14, 15 wechselnder Polarität mit der feststehenden Wechselstromwicklung 16
im Sinn deren heteropolarer Erregung zusammenarbeiten können.
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Die Zähne und Nuten des Läufers könnten bei der beschriebenen Maschine
auch durchgehend radial verlaufen, wenn man von der magnetischen, aber nicht notwendigerweise
räumlichen Unterbrechung durch die amagnetische Trennschicht absieht. In F i g.
3 müßten dann die Nuten 24 und Zähne 25 gegenüber den Nuten 22 und Zähnen 23 unversetzt
bleiben, und es rnüßte in radialer Richtung jeweils ein Nutteil 24 an einen Nutteil
22 und ein Zahnteil 25 an einen Zahnteil 23 anstoßen. Der dann einer solchen
Anordnung der Nuten und Zähne entsprechende Verlauf der Wechselstromwicklung der
in F i g. 1 unten liegenden Ständerteilscheibe 10 ist in F i g. 6 gezeigt.
Die Wechselstromwicklung 26 springt in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung
jeweils von einer innerhalb der Erregerwicklung gelegenen Wicklungsnut auf die in
Umfangsrichtung gesehen benachbarte Wicklungsnut der außerhalb der Erregerwicklung
ge. legenen Ringzone des Luftspaltes. Zur Aufnahme der Verbindungen zwischen den
derart gegeneinander versetzten Teilen der Wechselstromwicklung ist in Höhe der
Erregerwicklung eine Ringnut 27 vorgesehen, die gleichzeitig die Erregerwicklung
selbst aufnehmen kann, wenn diese wie in F i g. 1 in der Ständ.erteilscheibe liegen
soll.
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F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Doppelmaschine,
die als Umformer betrieben wird und bei der die ringförmige Erregerwicklung in der
Läuferscheibe untergebracht ist. Auch hier ist der Ständer in zwei Ständerteilscheiben
11, 28 aufgeteilt, zwischen denen der auf einer Seite mit einem Klauenpolsystem
und auf der anderen Seite mit Zähnen und Nuten versehene Läufer 29 sitzt. Auch hier
ist ein magnetischer Kurzschluß im Läufer 29 mittels eines amagnetischen Ringes
21 vermieden, unter dem jetzt jedoch in einer umlaufenden Nut die Erregerwicklung
30 liegt. Die Ständerteilscheibe 11 trägt die Wechselstromwidklung
16. Die Wechselstromwidklüng 19 verläuft. im axial geblechten Teil
31 der Ständerteilscheibe 28 radial durchgehend; daher sind auch hier
die ihr zugekehrten Zähne und Nuten in Höhe der Erregerwicklung 30
versetzt,
so daß der Läufer 29 äußerlich etwa den Darstellungen der F i g. 4 und 5 entspricht.
Ein Unterschied besteht jedoch hinsichtlich der Lagerung.
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Aus der Darstellung der F i g. 7 ist ersichtlich, daß die Achse 32
nicht drehbar ist, sondern nur durch Verstellschrauben 33 in axialer Richtung verschoben
werden kann, so daß sich hieraus eine Einstellbarkeit der Luftspalte ergibt. Während
damit zunächst nur eine Abstimmung der Längen beider Luftspalte zueinander erfolgt,
ist eine Verstellung der Summe beider Luftspaltlängen mit Hilfe der Verstellvorrichtung
34 möglich. Die Läuferscheibe 29 ist gegenüber der Achse 32 mittels der Lager 35
axial und radial gelagert.
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Die Ständerteilscheibe 28 hat an ihrer äußeren Stirnfläche, der Querschnittsform
des Rückschlußteils 36 angepaßt, spiralförmig verlaufende Vertiefungen 37, die durch
einen Verschlußdeckel 38 abgedeckt sind. Durch die Vertiefungen 37 wird ein Kühlmedium
geleitet. Durch Netten, Zähne und Trennfugen wird ein von den Luftspalten ausgehender
Kühlluftstrom erzeugt, der insbesondere entsprechend den eingezeichneten Pfeilen
verläuft und an der äußeren Seite des Verschlußdeckels 38 entlanggeführt wird, was
die Kühlwirkung steigert. Wie aus F i g. 7 ebenfalls ersichtlich, ist der Querschnitt
des vom magnetischen Fluß durchsetzten Rückschlußteils 36 der Teilscheibe 28 der
betriebsmäßigen Flußdichte angepaßt, so daß nicht vom Fluß erfaßtes Eisen weggelassen
und damit das Baugewicht verringert ist. Der magnetische Widerstand des Eisens in
der Teilscheibe 28 ist hier dadurch veränderbar, daß ein keilförmiger Ring 39 in
eine Nut von entsprechendem Querschnitt beliebig weit einschiebbar ist.