DE1588137A1

DE1588137A1 - Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE1588137A1
Application number: DE19671588137
Authority: DE
Inventors: Justus Dipl-Ing Dornier
Original assignee: DORNIER AG
Current assignee: DORNIER AG
Priority date: 1967-09-23
Filing date: 1967-09-23
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3519916A

Description

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DORNIER GMBH Friedrichshafen

WechseIstromgenerator

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz an Wechselstromgeneratoren, welche mit stark wechselnder Drehzahl betrieben werden.

Ausgehend von den in Kraftwerken eingesetzten Wechselst romgeneratoren ist die Frequenz des erzeugten Stromes bekanntlich proportional der Ankerdrehzahl. Es muß deshalb die Drehzahl der Antriebsmaschine während des Betriebes exakt konstant gehalten werden, falls eine bestimmte Frequenz des erzeugten Stromes gefordert wird. Diese Forderung ist leicht erfüllbar, wenn es sich um stationäre Anlagen handelt, deren Antriebsmaschinen für diesen Zweck eigens konstruiert wurden.

Völlig anders ist die Situation, wenn es sich um die Stromversorgung von mobilen Einrichtungen handelt, d. h. z. B. bei Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und dergleichen. Bei kleineren Einrichtungen, wie Fahrzeugen, genügt meist eine Gleichstromanlage, deren Wirkungsweise dem Fachmann bekannt ist. Ss braucht deswegen hierzu nicht näher Stellung genossen zu werden. Sobald aber der Strombedarf ein gewisses Haß übersteigt, wie dies z. B. bei Flugzeugen der Fall ist, ist eine Gleichstromanlage nicht mehr ausreichend. In diesem Falle zieht »an geeigneterweise Wechselstromgeneratoren vor, die die Erfordernisse besser erfüllen. Nachteilig wirkt sich hierbei aus,daß der Wechselstromgenerator mit einer eigenen Antriebsmaschine angetrieben werden muß, da der Generator nur bei konstanter Drehzahl die geforderte Frequenz des Stromes liefert.

Bekannt ist eine Lösung für die Stromversorgung von Flugzeugen, bei denen ein Wechseletromgenerator verwendet wird, der von der Flugzeugantriebemaechine angetrieben wird,

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d. h. allen Drehzahlschwankungen ausgesetzt ist und trotzdem eine konstante Frequenz des Stromes liefert. Hierbei verwendet man ein Getriebe »it einer automatisch regelbaren Übersetzung. Dieses System hat sich vor allem bei modernen Flugzeugbordnetzen bewährt und dort große Verbreitung gefunden. Das mechanische Regelgetriebe ist aber naturgemäß kompliziert und teuer. Auch arbeitet es nur in einem beschränkten Drehzahlbereich.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz an Wechselstromgeneratoren zu schaffen, die für die Stromversorgung des Bordnetzes an mobilen Einrichtungen, insbesondere für Flugzeuge geeignet sind, und trotz der stark wechselnden Drehzahl der Fahrzeugantriebsraaschine einen Strom mit konstanter Frequenz liefern. Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, daß am Läufer ein Kollektor vorgesehen ist und die Zufuhr des Erregerstromes über einen drehbaren Bürstenkäfig zum Kollektor erfolgt, wobei der Burstenkäfig mit konstanter, der geforderten Wechselstromfrequenz entsprechenden Drehzahl angetrieben wird. Um die Frequenz bei Bedarf dennoch variieren zu können, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Antriebemotor des Bürstenkäfig· drehzahlverstellbar ausgeführt, d. h. die Drehzahl des Antriebsmotors kann mit einfachen Mitteln reguliert werden. Dieser Antriebsmotor kann mit Hilfe von Riemen, Ketten oder Zahnrädern mit dem Bürstenkäfig mechanisch verbunden sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Bürstenkäfig und Motor als eine Einheit auszubilden, wobei beide Elemente gemeinsam auf einer Welle sitzen. Durch Anordnung von Schleifringen an der Außenseite des Bürstenkäfige, die eine elektrisch· Verbindung zu den Bürsten aufweisen, ist es möglich, eine Gleichstromquelle anzuschließen, die den Irreger st rom liefert.

Durch diese Anordnung ist es nun Möglich, daß der Wechee!stromgenerator unabhängig von seiner Ankerdrehsahl einen Strom konstanter Frequenz liefert. Man kann hierbei auf mechanische Umwege» wie regelbare Getriebe und dergl., völlig rer-

ziehten, die ohnedies den Nachteil haben, einmal nur in gewissen Drehzahlgrenzen zu arbeiten und andererseits häufiger Wartung bedürfen. Außerdem bringen sie ein beträchtlich erhöhtes Gewicht, was z. B. in Flugzeugen vermieden werden sollte. Der entscheidenste Vorteil der Erfindung liegt jedoch im niederen Preis dieser Anlage, der lediglich » bis -geiner Wechselstromanlage mit Regelgetriebe beträgt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung eines Wechselstromgenerators

mit einer Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz, Fig. 2 zusätzliche Ausbildung von Bürsten.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Wechselstromgenerator aus der Antriebswelle 1, einem Läufer 2, der mit der Antriebswelle 1 fest verbunden ist und aus genuteten weichmagnetischen Blechen besteht. Der Läufer 2 trägt in an sich bekannter Weise die Erregerwicklung 3. Diese Wicklung kann z. B. eine in sich geschlossene Wellenwicklung sein, wie sie bei den Läufern von Gleichstrommaschinen üblich ist. Die Wicklungsköpfe sind elektrisch leitend mit den Lamellen eines Kollektors 4 verbunden, der ebenfalls fest auf der Antriebswelle 1 sitzt. Weiters ist auf der Antriebsrolle 1 ein Bürstenkäfig 7 gelagert, in dem Bürsten 5 und 6 gehalten werden. Es ist zweckmäßig, den Bürstenkäfig 7 aus einem den Strom nicht leitenden Material zu erstellen. Direkt in der Ebene der Lagerstelle 8 des Bürstenkäfigs 7 kann man für den Antrieb des Bürstenkäfigs Pillen vorsehen, will man einen üiemenantrieb verwenden. Es ist aber auch Kettenantrieb oder ein Zahnradgetriebe zur Kraftübertragung möglich. Der in der Zeichnung beispielsweise angeführte Riemen 9 ist mit einem kleinen Hilfsmotor 10 verbunden. Am Bürstenktfig 7 sind Schleifringe 11 und 12 angeordnet, welche mit den Bürsten 5 und 6 des Käfigs leitend verbunden sind. Auf diesen Schleifringen liegen weibzw. 14 an und sind an einer Erreperstrom-

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quelle 15, die ζ. B. ein Akkumulator sein kann, angeschlossen. Der nicht gezeichnete feststehende zwei- oder mehrpolige Ständer des Yechselstromgenerators (aus magnetisch weichen Blechen geschichtet) trägt eine Generatorwicklung 16, bzw. bei Mehrphasengeneratoren eine deraentsprechende Anzahl von Wicklungen, weiche mit den Ausgangsklemmen 17, 18 des Generators verbunden sind. Es läuft demnach die Antriebswelle 1 mit dem Läufer 2 mit einer Drehzahl n.. um, die vom Fahrzeug- oder Flugzeugtriebwerk bestimmt wird und ,je nach Belastungszustand variiert. Der Bürstenkäfig 7 läuft mit der konstanten Drehzahl n„ um, die vom Hilfsmotor 10 erzwungen wird. Selbstverständlich ist es möglich, Bürstenkäfig und Hilfsmotor 10 als eine Einheit auszuführen, wobei beide Bauteile auf der Rotorwelle 1 gelagert sind und sich das Gehäuse dieser Einheit am Rahmenlager abstützt.

Um die Y/irkungsweise verständlich zu machen, ist zu beachten, daß dann, wenn der Generator durch das Fahrzeugtriebwerk nicht angetrieben wird, der Läufer also im Stillstand und daher n^ = 0 ist, durch den Läufer 2 ein im Raum mit der Drehzahl n₂ des Bürstenkäfigs umlaufendes magnetisches Feld erzeugt wird, welches wiederum in der Generatorwicklung 16 einen Strom J induziert, dessen Frequenz f- gleich der Drehzahl n„ des Bürstenkäfigs ist. Solange der Läufer still steht, wirkt die Anordnung demnach als ein Umformer, welcher den vom Akkumulator 15 entnommenen Gleichstromes in einen Wechselstrom der Frequenz f- = n_r) umwandelt. Diese Frequenz hängt natürlich von der Drehzahl n„ des Bürstenkäfigs 7 ab, welche leicht auf /jeden beliebigen Tert einstellbar ist.

dotiert nicht nur der Bürstenkäfig 7 mit der Drehzahl n₂, sondern wird auch der Läufer 2 mit der Drehzahl n- angetrieben, so gilt für die Frequenz f' des im Läufer erzeugten Magnetfeldes (bezogen auf ein läuferfestes Koordinatensystem) folgende Relation:

f^f - U₁ - n,,

Für die Frequenz f des die Generatorwicklung 10 durchflutenden Maiinet fei des (bezogen auf raumfestes Koordi natensy-

« _{Λ Λ} BAD ORIQINAL

stem) gi It demnach : 109 8 12/0145

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Daraus folgt, daß die Frequenz des erzeugten Stromes unabhängig von der Antriebsdrehzahl ni des Läufers ist, sie hängt lediglich von der Drehzahl n₂ des Bürstenkäfigs ab und ist durch geeignete Regelung des Hilfsmotors IO leicht auf jeden gewünschten Wert einzustellen.

Während der Wechselstromgenerator bei stillstehendem Läufer lediglich als Umformer funktioniert und selbst keine elektrische Energie erzeugt, wird er, sobald der Läufer 2 rotiert, ein elektrischer Generator, welcher mechanische Energie, die über die Antriebswelle 1 zugeführt wird, in elektrische Energie konstanter Frequenz umwandelt. Diese Energie wird an den Klemmen 17, 18 abgenommen. Die von der Stromquelle 15 zu liefernde Erregerleistung ist in diesem Falle nur ein kleiner Bruchteil der Nutzleistung.

Während die Frequenz des erzeugten Stromes infolge des aufgezeichneten Prinzips von der Antriebsdrehzahl n^ völlig unabhängig ist, gilt dies nicht ohne weiteres für die Ausgangsspannung U. Zur Regelung der Ausgangsspannung U dient ein geeignetes, nicht gezeichnetes Regelsystem, welches den Erregerstrom i beeinflußt. Da solche Regelvorrichtungen die Anmeldung nicht betreffen und diese dem Fachmann bekannt sind, braucht hierauf nicht näher eingegangen zu werden.

Die im Bürstenkäfig 7 geführten Bürsten 5 und 6, die mit dem Bürstenkäfig 7 rotieren, können unter Umständen den üblicherweise durch eine Feder erzeugten Druck zum Anlagen der Bürsten an den Kollektor 4 infolge Fliehkraft aufheben. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, eine geeignete Vorrichtung am Bürstenkäfig 7 anzuordnen, um drehzahlabhängig den Druck der Bürsten 5, 6 an den Kollektor 4 konstant zu halten. Hierzu wird ein Fliehkrafthebel 20 in der Ebene der Rotorlängsachse angeordnet, wie Fig. 2 zeigt, dessen Schwenkpunkt 22 seitlich der Bürste 5, β liegt. Der dort gelagerte Fliehkrafthebel hat am anderen Ende der Lagerstelle 22 ein Fliehgewicbt 21. Gegenüberliegend ist eine.Auflagenase 23, die die Kraft des

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Fliehgewichtes, bedingt durch den entsprechenden Hebelarm, auf die Bürsten 5, 6 überträgt. Durch diesen Fliehkrafthebel 20 wird erreicht, daß der AnpreSdruck der Bürsten bei jeder Drehzahl konstant bleibt.

Als besonderer Vorteil ist die Tatsache anzusehen, daß diese Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz an Wechselstrorageneratoren sehr einfach im Aufbau ist und vor allen wesentlich billiger in der Anschaffung als die heute üblichen Wechselstromgeneratoren mit regelbarer Übersetzung kommt. Darüber hinaus bedarf dieser Generator keine über das übliche Maß hinausreichende Wartung. An mobilen Einrichtungen, insbesondere in Flugzeugen, braucht auf die Vorteile des Wechselstromgenerators - will man die vorher genannten Nachteile vermeiden - nicht verzichtet zu werden. Vor allen Dingen werden die Vorteile des Wechselstromgenerators nicht durch zusätzliche Gewichte, wie Spezialgetriebe, erkauft.

19.9.1967 Gö/ro.

EAO ORIGINAL

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Claims

DORNIER GMBH Friedrichshafen Reg. 2207 Patent an s ρ r ü c h e

1. Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz von mit variierender Drehzahl angetriebenen Wechselstromgeneratoren, z. B. für durch Fahrzeug- oder Flugzeugtriebwerke angetriebene Wechselstromgeneratoren für die Stromversorgung des Bordnetzes, dadurch gekennzeichnet, daß am Läufer (2) ein Kollektor (4) vorgesehen ist und die Zufuhr des Erregerstromes über einen drehbaren Bürstenkäfig (7) zum Kollektor (4) erfolgt, wobei der Bürstenkäfig (7) mit konstanter, der geforderten V/echselstromf requenz entsprechenden Drehzahl angetrieben wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlniveau des Bürstenkäfigs (7) bzw. seines Antriebsraotors (10) verstellbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bürstenkäfig (7) und Motor (10) eine Einheit bilden, bzw. auf einer Welle sitzen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bürstenkäfig (7) über Schleifringe (11, 12) die Erregerspannung zugeführt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Bürsten (5,6) Fliehkrafthebel (20) angreifen, deren Schwenkpunkte (22) in der Ebene der Rotorlängsachse übor den Bürsten (5,6) liegen.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fliehgewichte (21) der Fliehkrafthebel (20) für die gewünschte Betriebsdrehzahl einstellbar sind.

19,9.1967

Gö/Ro. ^_ 1 0 9 8 1 2 / 0 1 L R

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