DE1563188A1

DE1563188A1 - Induktiver Frequenz-Umformer

Info

Publication number: DE1563188A1
Application number: DE19661563188
Authority: DE
Inventors: Harris Shapiro
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1965-09-21
Filing date: 1966-07-02
Publication date: 1969-07-17
Also published as: GB1160526A

Description

Patentanwalt Dlpl.-Ing. Rudolf Möbus ....

REUTLINGEN H I N D E N B U R G S T R A S S E 6 5 TELEFON C07121) 34718

ffeue Anneldungsunterlagen

General Dynamics Corporation,
Arenel. Hevf Jersey. U«8.A.

Induktiver Frequenzumformer

Die Erfindung betrifft einen induktiren Frequeniumformer mit einem Rotor und einem äußeren Stator und mit einem sich über den gansen Umfang dieses Rotors erstreckenden Luftspalt Bwisohen Rotor und 8tator.

meisten der bekannten Arten von Frequensumformern erfordern swei gesonderte und bestimmte elektrische Maschinenteile, die normalerweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Einer der elektrischen Maschinenteile wirkt dabei als Antriebsmotor und der andere Maschinenteil hat die Funktion des Generators.

Es ist auch bereite ein Frequenzumformer als Baueinheit

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■It uhrtrtn 8tatorwleklunf«n bekannt gtvordea, dtr Statorfelder alt TtrsehleAtner Polsahl trstuft (OTA-Patentschrift 2 428 203)· BtI ftltstm Prtqutnsuaforatr vtist der Rotor «in· elnslge Vloklung avf· Rotor- «ad 8tatortrl0kluagen haben den gleiohen Magnetkreis. Wegen der Statorfelder warden in d«r Botorwlokluaf »owohX Motor- al· auch Oentr^.toretröa· Indusi·!*.

Β·1 d«a Prequtiunmf orter gvaaj dar »maiintan U8A-Pat#nteohrift alt tinea gtatinaaatn Magnttkrtle ant dlt Oittit dta Lufttpaltt ·ο gtvanlt vtrdtn_t daß dtr Itaeattl«ltzun4p>* atroa in dtr Statondokluag ait dtr erOstrtn Polaahl auf tinta Wtrt gehalten wird· bti wtlohta dtr Ttaytraturan-•titf la Prtqutnsuaforatr auf tlBta eängictn Wtrt nnd innerhalb dtr dureh dlt Isolation dtr Maaohlmt »tatlaatta Ortasta bltibt.

Bitatr Wert Wr dlt «röfle At· Luftspalte, AtT dereh Alt etatorwlokluag ait Atr höheren Polsahl btttiaat let, irl relatiT klein fur tint 8tatorwiokluae alt Atr niedrigeren Polsahl la Tergleioh alt eine« Wtrt, Atr sol elnaa ttblioherwtlst gtwloktlttn Rotoraotor gleioher arVBo, OtsabwiB-dlAfkeit und leistung verwendet wird und Atr Al· gltlobt Polsahl hat wie Alt Statonrioklung alt Aar nleArlgan Polsahl Att Trequensuaforaers. Da Alt 8tatorwioklumg alt dtr niedrigen Polsahl Motorstrbat fuhrt und sum Anlauf

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der Maschine dient, mufi sie ein ausreichendes Drehmoment für den Anlauf der Maschin· entwickeln und den Rotor des Frequenzumformer» bis nahesu auf seine synchrone Geschwindigkeit beschleunigen. Der kleine Luftspalt bewirkt aber gewöhnlich harmonische Drehmomente, die ausreichend groß sind, um einen Anlauf des frequensumformers und eine Beschleunigung bis nahe auf die Synchrongeschwindigkeit su verhindern.

Außerdem mud die Kombination der Stator- und Rotornutett so gewählt werden, daß gewährleistet ist, daß die 8tatorwioklungen bei beiden Polzahlen elektrisch güsgegliohen sind. lie Wahl einer Kombination der Stator» und Rotornuten sur Erzielung eines elektrischen Ausgleichs kann su einer Hutenkombination führen, die im Hinblick auf die Erzeugung eines ausreichenden Anlaufmomentes durch die Erzeugung von Sperrmomenten für die Motorstrume führende Statorwicklung schädlich wirkt. ,

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumformer su schaffen, der die vorstehend genannten Naohteile nicht aufweist und dabei nur eine einzige Stator- und eine einsige Rotorspule für die Frequensumformung benötigt, trotzdem aber einen wirkungsvollen Anlauf gewährleistet und harmonische und/oder Sperr-Drehmomente beim Starten und Beschleunigen überwindet. Außerdem soll

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der FrequensuBfonter ein günstiges Leletungegewloht haben.

Srfindungegemäfi wird die gestellte Aufgabe unter Vermeidung der vorstehend erwähnten lacht «lie dadurch ge* löst, daß auf den Rotor 3 eine einelge Wioklung 9 angeordnet let, während der Stator 4 eine Hotorwioklung 8a und eine Qeneratorwloklung 8b trägt, da0 die Motorwlok-

L lung θβ dee Stators 4 1« Rotor 5 eine erste ?ielsahl τοη lfEignetpolen und die Generatorwioklung 8b dee 8tator» 4 im Rotor 3 eine ewelte Ylelsahl von MagnetpoXen erseugt, wobei die swelte Vielzahl gritter let ale die «nit· ?iel~ sahl, dee mit den Rotor 9 ein einen 8tator 11 und einen Rotor 12 aufweisender Hilfemotor 7 mechanisch gekoppelt ist, der eine Statorwioklung 19 aufweist» die Ib Hllfsmotorrotor 12 eine weitere Vielsahl von Magnetpolen erseugt, und dafl der erstgenannten Rotorwicklung 9 eine Intnahmeelnriohtung 17 augeordnet 1st» an welcher eine Weoheel-

> spannung alt einer höheren frequena ale die Ia dl· ent-: genannten 8tatorwioklungen 8 eingegebene tre^uens entnommen werden kann.

Duroh eine geeignete Wahl des Vloklungesohrltts 4er Rotorwloklung wird ein gutes wirkungsrollee Arbeiten des Vrequensumformere erreicht, der elnfaoh und billig su fertigen ist und einen ausreichend niedrigen relati-

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van Spannungsabfall aufweist, so daß eine ttuSere Regeleinrlobtung nicht erforderlich iat«

Weitere Merkmale und Vorteile dar Erfindung ergeben «loh aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung alt dar Zeichnung, auf der ein AuafUhrungabeiapial dee Brfindungsgegenatandea mehr oder weniger achematiaoh dargestellt iat.

Ia einmeinen «eigent

Flg. 1 einen ventralen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß auegebildeten Frequenzumformer entlang dar Linie 1 - 1 in Fig.2;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2 - 2 In fig. 1 in gegenüber Figur 1 vergrößerte« MaBetabι

Pig. 2a eine gegenüber Fig.2 vergrößerte Teileohnitt- ι darstellung, die eine der Rotornuten eeigts

Flg. 2b eine Teilschnittdarstellung, die eine der Statornuten steigt;

Fig· 3 ein den durch die Statorwicklung: über den Umfang dor Maschine erzeugten Magnetfluß dar-

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stellend·· Diagramm, in daa eine der Rotorwioklungen unter Angabe des Wloklungssohrittes eingezeichnet ist.

In Figur 1 sind solche Teile des Frequenzumformer*, die Gegenstttoke zueinander darstellen» alt den gleichen Besugssiffern versehen. Wenn nicht ausdrücklich andere vermerkt ist, gilt die Beschreibung eines dieser Stücke auch für die übrigen Gegenstücke, die mit der gleichen * Besugszlffer versehen sind.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Frequenzumformer weist ein tragendes Gehäuse 2, einen Rotorteil 3 und einen Statorteil 4 auf. Der Rotorteil 3 und der Statorteil 4 haben Spulen 5 oder 6, welche einen Magnetkreis bestimmen. Die Spulen sind durch einen Luftspalt 1$ voneinander getrennt. Der Rotor 3 1st auf einer von den Lagern 31 und 32 getragenen Welle 14 angeordnet. Auf der , oberen Verlängerung der Welle 14 1st oin Hilfsmotor 7 als Starthilfe für den Umformer angeordnet. Das Gehäuse 2 hält den Statorteil 4. In Hüten 34 des Statorteile 4 ist eine erste Wicklungsanordnung so angebracht, daß sie swei Magnetflüsse, einen Motorfluß und einen GeneratorfluB, mit verschiedenen Polsahlen erceugt (Fig. 2b). Die beiden Flüsse sind einander in dem Magnetkreis überlagert, der durch den Rotorkern 5 und den Statorkern 6 be-

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stimmt ist. Die Statorwicklung besteht aus einem Sate von swei Wicklungen da und 8b. Auf dem Rotorteil 3 tat in Hüten 16 eine streite Wicklungsanordnung 9 so angebracht, daß in ihr durch die Statorwioklungen 8 sowohl Motor als auch Generatorstr&me indueiert werden (Pig. 2a).

Der Hilfsmotor 7 (spin motor) hat einen Statorteil 11 und einen Rotorteil 12. Auf dem Statorteil 11 ist eine Wicklung 13 so angeordnet, daß sie einen Magnetfluß sit einer Polsah1 erzeugt, die gleich groß ist wie die Polzahl des durch die Wicklungen 8 des Statorteils 4 erzeugten Motorflueses.

Der Hilfsmotor 7 bewirkt das Anlaufen des Eotorteiles und beschleunigt ihn bis nahe an die Synohrondrehsahl der Wicklung 8, die auf dem Statorteil 4 als Hotorwloklung wirkt.

Der Hilfsmotor 7 hat bei voller Hennlast eine Schlupfdrehzahl pro Hinute, die geaau gleich der Schlupfdreh» zahl pro Miaute ist, die durch die Wechselwirkung der Statorwicklungen 8, di@ als Motorwicklung wirkt, und der Roterwieklung 9 erzeugt wird.

Es hat sieh durch Versuche gezeigt, daß die Rotorwiok-.

lung 9 mit einem Wicklungnschritt ausgeführt werden soll«

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te, dergestalt, daß derjenige Teil davon, der »ine Verkettung wischen 0,25 und 0,5 Wellenlängen des durch die Statorwicklungen 8 erseugten Motorflueeee ergibt, gleichzeitig eine Verkettung yon H + 0,25 Wellenlangen des τοη den Statorwicklungen 8 erzeugten Qeneratorflueses ergibt. Dabei bedeutet V eine beliebige ungerade ganse Zahl, die den Wert dee Quotienten der Polsahl der Statorwioklungen 8, die als Generatorwioklung wirken, dividiert durch die f Polsahl des Stators 8, der als Motorwioklung wirkt, nicht überschreiten sollte.

In dem Diagramm der Figur 3 ist auf der Ordinate die Flußdichte is Luftspalt aufgetragen, die τοη den Statorwioklungen 8 ereeugt wird. Auf der Abssisse ist die Umfangsstreoke rings um den Luftspalt 15 aufgetragen· Entlang der Abszisse ist außerdem eine Schleife einer Rotorspule angedeutet, welche die Oröfle des Wicklungssohrittes erkennen läßt.

Wenn beispielsweise der Rotorteil 3 aohtundvierslg Buten 16 aufweist und die Statorwioklungen β einen sweipoligen NotorfIuS und einen aohtpollgen Generatorilufl i« Luftspalt 15 erzeugen, erstreckt eich eine Wellenlänge des sweipoligen Motorflusses über die vorstehend genannten aohtundvierei; Rotorauten 16, während eine Wellenlänge des achtpoligen Generatorflueeee sich ttber swttlf der

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Rotornuten 16 erstreckt.

Bid Spulen der Rotorwicklung 9 weieen eine solche Teilung auf, daß jede einen Wicklungsschritt von achtzehn Rotornuten 16 hat.

Demnach verkettet die Rotorwicklung 9 achtzehn dividiert

durch aohtundvierzig (0,575) Wellenlängen des durch die

Statorwicklungen 8 erzeugten Motorflusses und gleiohzei- |

tig achtzehn dividiert durch zwölf (1,5) Wellenlängen des durch die Statorwicklungen 3 erzeugten Generatorflue» see. Die erste Bedingung (Verkettung von 0,25 bis 0,5 der

Motorfluö-Wellenlänge) ist damit erfüllt.

Da N eine beliebige ungerade ganze Zahl ist, deren Wert den Quotienten der Folzahl der als Generatorwicklung wirkenden Statorwicklungen 8 dividiert durch die Folzahl der als Motorwicklung wirkenden Statorwicklungen 8 nicht überschreiten sollte, muß die Größe V den Wert Bins oder Drei annehmen, so daß sich für H/2 entweder der Wert 1/2 oder 1 1/2 ergibt. Der letztere Wert (H* 1,5) ist zufriedenstellend .

Der Wert r*n 1,5 £ 0,25 Wellenlängen des von den Statorwiüklungen erzeugten Seneratorflusses ergibt einen WioklungSBchritt von zwischen fünfzehn und einundzwanzig Ro-

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tornuten 16, oder in Wellenlängen des Qeneratorfluseee ausgedrückt, wischen 15 oder 1,2 und 21 oder 1,75· Soweit die Rotorwicklung (1,5) Wellenlängen des durch die Statorwicklungen 8 erzeugten Generatorflueses verkettet, ist das zweite Kriterium erfüllt.

Dieses Verkettungekriterium ist von kritischer Bedeutung, well eine Stator- oder Rotorspulenverkettung des umlauk fenden Luftspaltflusses von kleiner als 0,25 Wellenlängen des Motorflusses bedeuten würde, daß eine Masohine nur mit sehr echleohtem Wirkungsgrad und/oder überhaupt nicht wirksam arbeiten würde. Dabei liegt die Ursache darin, daß eine Verkettung von weniger als 0,25 Wellenlängen des Motorflusses bei der Verwendung einer großen Zahl von Windungen für den gleiohen Polfluß auftritt und daher weniger Kupferfläche pro Windung und pro Vut zur Verfugung steht, was die unvermeidliche Folge hat, daß

sehr hohe Kupferverluste auftreten. ^:

Zum Starten des Frequenzumformer werden die Stator rlcklungen 8 und die Statorvicklung 13 des Hilfsmotors alt einer Frequenz von 60 Hz erregt. Zur Erzielung einer Ausgangespannung mit 300 Ez - ein für den Betrieb von hochtourigen Kompressorantriebemotoren typisoher Prequenzwert - werden die Statorwioklungen 8 für eine zweipolige

Hetorwicklung und^otorflufl und der Generatorflu^eine

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BAD OBIGIiiAL

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er/im

aohtpolige Osneratorwlcklung auegelegt» so daß der/: Luftspalt 15 in entgegengesetzten Bichtungen umlaufen« Figur 3 neigt.

Die auf dem Statorteil 11 des Hilfsmotor· angebrachte Statorwicklung 1? ist ebenfalle zweipolig gewickelt« Die mit 60 Hs erregten Statorvrioklungen 8 erzeugen in Verbindung mit den Rotorvrioklungen 9 an den Schleifringen 17 eine Ausgangespannung mit einer Frequens τοη J 300 Hb.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf dae dargestellte

AuefUhrungebeispiel beschränkt und erlaubt eine Änderung der Naeohinendaten im Rahmen der angegebenen Wertgrensen*

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Claims

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gatttttniirtoht

Induktirer ProqpMnsuafora«r alt ein·« Rotor «ad aiosa *u8«r«n Stator und alt «Ines »loh ttber d«n aaaam Uafang dl···« Rotors •rstreokenden Luftspalt swlsehen Rotor und Stator, daduroh gekwMMwlohnet. dai auf dta Rotor (3) ein· ein«!«· Yioklung (9) aageerdast let, während der Stator (4) «in· Motorwlokluag (8a) «ad * ein· Osneratcrwioklung (8b) träfft, dai dl· Motorwioklung (8a) dee Stators (4) la Rotor (3) sla· «rat· Vielsahl tob Magnetpolen und dl· Oeneratcrwloklme (8b) de· Stators (4) la Rotor (3) eine emit· ?1·1-sahl Ton Magnetpolen erseugt, wobei dl· »weit· 71·1-sahl grttBsr 1st als dl· erste Vleleahl, daS alt d«a Rotor (3) ·1η «Inen stator (11) und ·1η·η Rotor (12) aufweisender Hilfsmotor (7) aeohanlsoh gskoppolt 1st, dsr sin· Statorwicklung (13) aufweist, dl· la Hilfa» aotorrotor (12) «ine weiter· Yielsahl τοα Magnetpolen •rs«ugt_t und daß der erstgenannten RotorwloJclung (9) •in· Kntnahaeeinrichtung (17) sug«ordn«t 1st, aa welcher eine Wechselspannung alt einer hb*h«r«a Jr·- quens als dl· In dl· erstgenannten 8tatorwioklune«n (8) eingegebene Frequens «ntnoaa«n werden kann·

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(Art l S l Abs. 2 Nr. I S^tz 3 dss AnderuiHWI··· *- *· *· ^**7)

ORIGINAL INSPECTED

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2. Frequensumformer nach Anspruch 1, dadurch gsksnnitiohnet, daß der mit einer einsigen Wicklung versehene Rotor (3) und der Hilfsmotorrotor (12) auf einer gemein-* samen Welle (U) angeordnet sind.
3· Frequensumformer nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, daduroh gekennseiohnet, daß der Hilfsmotor bei seinem normalen Vollastbetrieb einen Schlupf aufweist» der genau gleich groß ist wie der Schlupf des erstgenannt ten Rotors (3h so daß der die Motorwioklung (8e) aufweisende Stator (4) als ein Induktionsmotor wirkt.
4· Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) einen sylindrisohen Kern aus magnetischem Material aufweist, der Übe* seinen Umfang in glelohmäeigem Abstand mit einer Tielsahl von Hüten (16) versehen 1st» die eich in Längsrichtung des svlindrischeh Kernes erstreoken und in denen die Rotorwicklung (9) untergebracht ist, daß der Stator (4) ebenfalls einen Kern mit einer Vielsahl von sich in Axialriohtung des Kernes auf seines inneren Umfang erstreckenden Hüten aufweist, die ebenfalls mit Abstand voneinander verlaufen, und daß sowohl die Motorwicklung (8a) als auch die Oeneratorwioklung (8b) in den gleichen Statornuten angeordnet sind.

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5. PreQuens-umformsr naoh Antpruoh 4» daduroh gekennzeichnet, daß die einsige Rotorwioklung (9) ·ο besessen oder angeordnet iat, dafi jede Wioklungaspule eich Über eine beatiaate Zahl von Rotornuten eretreckt (Wioklungaaohrltt), wobei die·· beatinmte Nutensahl eine beliebige Zahl ist, die den beiden Bedingungen genügt, daB eretena eine Rotondoklungaapul· 0,25 bie 0,5 a*l die Wellenlänge des tob der Motorwioklung (8a) erseugten Magnetflueeee verkettet, und sweltena gleichseitig

" (1+0,25) aal die Wellenläng· dee τοη der Oeneratorvioklung (8b) erseugten Magnetflueeee verkettet, wo» bei I ein« beliebig· ungerade ganse Zahl tat, deren Wert den Verhttltnievert der sweiten Tlelsahl ron Magnetpolen sur «raten Vielsahl von Magnetpol·« la Rotor (3) nloht Ubereteigt.
6. rrequeasuBforaer naoh einen der Anapruohe 1 bia 5, daduroh gekennselobiiet, daB dl· Statonrloklung (13) de· Bllfaaotora (7) so beaeeeen 1st, da· dl· weitere Tielsahl tob Magnetpolen de· Hilf «»tor· (12) gl«ioh der ersten Vielsahl der Magnetpol· dos eratgeasnaten Rotor· (3) 1st.

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ORlGSNA¹ !^-S^T=GTED