DE1638243A1

DE1638243A1 - Kommutierungseinrichtung fuer rotierende elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE1638243A1
Application number: DE19681638243
Authority: DE
Inventors: Bates James John
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1967-01-25
Filing date: 1968-01-25
Publication date: 1971-04-15
Also published as: FR1552481A; AT284260B; CH470102A; BE709896A; US3544868A; GB1169984A

Description

N. 104

Augsburg, eben 22 „ Januar 1968

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S.W. 1, England

Kommutierungseinrichtung für rotierende elektrische Maschinen

Die Erfindung betrifft dynamoelektrische Maschinen und bezieht sich auf Kommutierungseinrichtungen für solche Maschinen.

Bekannte Kommutierungseinrichtungen besitzen im allgemeinen einen Kommutator, auf welchem Kohlebürsten schleifen.

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Diese bekannten Kommutierungseinrichtungen heben den Nachteil, daß sich der Kommutator und die Bürsten stark abnützen und die Reibungsverluste der 1-iaschine erhöhen»

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine sich durch gutes Betriebsverhalten auszeichnende Kommutierungseinrichtung zu schaffen, Vielehe mit geringer Abnützung arbeitet und nur geringe Reibungsverluste verursacht.

Im Sinne der Losung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Kommutierungseinrichtung für rotierende elektrische Maschinen aus, die einen aus Leitersegmenten und diese voneinander trennenden Isolationssegmenten aufgebauten Kommutator aufweist, auf welchem Kontaktstücke aufliegen, und die mit Schaltmittein ausgestattet ist, welche die Stromzufuhr zu den Kontaktstück^ jeweils dann unterbrechen, wenn diese ein Leitersegment verlassen. Eine derartige Kommutierungseinrichtung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke die Form frei umlaufender Rollen oder Räder haben, welche mit dem Kommutator in rollender Berührung stehen.

Die genannten Schaltmittel können beispielsweise eine aus

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steuerbaren Halbleitereleinenten aufgebaute Kommutierungs- £ächaltung enthalten, wie sie beispielsweise bereits an anderer Stelle von der Anmelderin vorgeschlagen worden ist» Bei 11«?schinen dieser Art braucht der Kommutator nur bedeutend v;eniger »Segmente zu haben als Kommutatoren bekannter 2-nir-Tt un3 die einzelnen Jcgmente können dann einen betr'"entliehen Bogen am Läufer- bz.v. Konrnutatorumfang überspannen, doch ist die Erfindung in gleicher -'/eise auch auf Γ. ν schinen an-vendbar, v.'elche einen Kommutator mit einer groPen Zahl schmaler Leitersegmente aufweisen«, Die letztgenannte irt von rotierenden elektrischen kaschinen ist in bestimmten Fällen von Vorteil₉ da sich ein gleichmäfigeres Drehmoment ergibt« Elektrische Laschinen, deren Kommutierungseinrichtung mit gesteuerten Halbleiter-IIilfsventilen ausgerüstet sind, können umgekehrten Aufbau aufv^isen, ddu die Ankerwicklung kann an dem Ständer oder dem äußeren, still- I stehenden Teil der I.Iaschine angeordnet sein, während die .Feldwicklung sich an dem Läufer oder dem inneren, umlaufenden Teil der Ilaschine befindet« Ilaschinen mit solchem umgekehrtem Aufbau benötigen auch einen entsprechend umgekehrt aufgebauten Kommutator, dessen Segmente am Ständer befestigt sind, während die Kontaktstücke zusammen mit dem Läufer umlaufen und über eine Gchleifringanordnung gespeist werden. Auf solche Konstruktionen ist die Erfindung mit besonderem Vorteil anwend-

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bar, da dann die elektrischen Anschlüsse sowohl zum Kommutator als auch zu den Schleifringen durch Kontaktrollen oder -räder hergestellt werden können, wobei eine jeweils zwei Kontaktrollen oder -räder tragende Achse an dem Läufer befestigt ist und jeweils eine der genannten Kontaktrollen oder -räder auf einem Schleifring abrollt, während das andere Kontaktstück auf dem Kommutator abrollt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Maschinen dieser umgekehrten Bauart beschränkt_o

Im folgenden wird die Erfindung durch die Boschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläuterte In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 eine schematische Abbildung einer elektrischen Maschine umgekehrter Konstruktion mit den Merkmalen der Erfindung,

Figur 2 einen .Schnitt längs der Läuferwelle zur

Darstellung einer Kommutierungseinrichtung nach der Erfindung für solche elektrische Haschinen umgekehrter Bauart,

Figur 3 eine Ansicht der in Figur 2 gezeigten Anordnung aus der in dieser Zeichnungsfigur durch einen Pfeil angedeuteten Itichtung,

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_ Ii. _

Figur 4 eine schematisehe Darstellung einer Ankerwicklung für Gleichstrommaschinen nach der Erfindung,,

die Figuren ein eriindungsgemäßes Kommutatorpaar zur und 6

Stromwendung in den Y/icklungen nach Figur 4,

Figur 7 die in den Figuren 5 und 6 gezeigten

Kommutatoren und die zu ihnen führenden Anschlüsse in einer parallel zur Achse der Maschine verlaufenden Gchnittebene,

Figur 8 eine schematische Darstellung einer

Gleichstrommaschine nach der Erfindung, "bei welcher die Ankerwicklung am Läufer angeordnet ist, und '

die Figuren ' eine abgewandelte Form der in Figur 8 dar-9a und 9b

gestellten Maschine.

In der zunächst betrachteten Figur 1 ist eine elektrische Gleichstrommaschine dargestellt, welche entweder als Generator oder als Motor arbeiten kann und welche umgekehrt aufgebaut ist,

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d_oh. bei welcher ein äußerer Ständer 1 eine Ankerwicklung trägt, während ein innerer Läufer 2 eine Feldwicklung aufweist. Die Stromzuführung zur Ankerwicklung des Ständers muß über eine Kommutierungseinrichtung geleitet werden, welche ebenfalls umgekehrter Bauart ist und stillstehende Segmente aufweist, während die zugehörigen Kontaktstücke derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit der Läuferwelle M-umlaufen. ^r.7ie nachfolgend erklärt wird, sind Verbindungsmittel zur Verbindung der positiven und negativen Anschlußklemmen mit den umlaufenden Eontaktstückeη vorgesehen.

Die in Figur 1 der Zeichnungen angedeutete Eommutierungseinrichtung kann die in den Figuren 2 und 3 der Zeichnungen wiedergegebene Form aufweisen. An der Läuferwelle A- ist ein Querstück 11 befestigt, welches mit der Läuferwelle umläuft» Das ;uerstück 11 besitzt zwei jeweils on den einander gegenüberliegenden Enden angeordnete Bohrungen 12 und 13, durch welche Achsen 14 und 1=5 hindurchragen, die in den Bohrungen und 13 frei drehbar sind. An den einander gegenüberliegenden Enden der Achse 14 sind zwei Räder 16 und 17 befestigt und in ähnlicher Weise sind an den einander gegenüberliegenden Enden der Achse 15 zwei Räder 18 und 19 befestigt. Die Räder 16 und 18 stellen einen Kontakt mit der Innenfläche eines feststehenden Schleifringes 20 her, der mit einer der elektrischen

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Anschlußklemmen der Maschine verbunden ist_c Die Räder 17 und 19 stellen in leitender Berührung mit einem feststehenden Pornmufcator 21, dessen elektrisch leitende und isolierende ,Segmente genauer aus Figur 3 der Zeichnungen zu ersehen sind. Die Leitersegrnente sind mit den Ankerwicklungen des Ständers verbundene Es zeigt sich, daß auf diese Weise von dem Schleifring 20 über die Eontakträder mit dem Kommutator 21 eine elektrische Verbindung hergestellt ist» Erforderlichenfalls können einander gegenüberliegende Leitersegmente des Kommutators 21 miteinander und mit geeigneten Teilen der Ankerwicklung verbunden sein. Auf diese Weise wird der über je ein Kontaktrad geführte Strom halbiert, da der von einer Anschlußklemme zum Kommutator fließende Strom sich über die beiden einander diametral gegenuberlxegendei Räder verzweigte Die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Anordnung ist für die jeweils andere Anschlußklemme ein zweites Mal vor- „ { gesehen«

Ein Vorteil der dargestellten Kommutierungseinrichtung ist es, daß aufgrund der rollenden und nicht gleitenden Berührung keine Möglichkeit für die Bildung einer elektrisch leitenden Schleifspur über die Isolatorsegmente des Kommutators hinweg gegeben ist, wie dies bei Kohlebürsten der Fall ist_e

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Hierdurch ist es möglich, die der Ankerwicklung der Maschine zugeführte Spannung beträchtlich zu erhöhen, ohne daß die Gefahr eines "Überschlages zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten besteht₀

Eine Anordnung, bei welcher die Kommutierung durch gesteuerte Halbleiterelemente unterstützt wird, ist in den Figuren 4, 5» 6 und ¹J dargestellt. Bei dieser Kommutierungseinrichtung besitzt eine in Figur 4 schematisch dargestellte, geschlossene Ankerwicklung 30 acht äußere Anschlüsse, welche mit den Bezugszahlen 31 bis einschließlich 38 bezeichnet sind«, Eine elektrische Verbindung von einer Anschlußklemme zu der Ankerwicklung 30 verläuft über zwei Kommutatoren 39 und 40, welche in den Figuren und 6 der Zeichnungen dargestellt sind. Der Kommutator besitzt acht elektrisch leitende Segmente, welche mit Bezugszeichen 41 bis einschließlich 48 bezeichnet sind und in gleicher Weise weist der Kommutator 40 acht Leitersegmente 50 bis einschließlich 58 auf„ Die Anschlüsse 31 bis 38 der Ankerwicklung 30 sind in der angegebenen Weise mit den verschiedenen Segmenten der Kommutatoren 39 und verbunden, und zwar steht der Anschluß 31 mit den einander diametral gegenüberliegenden Segmenten 41 und 45 des

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Kommutators 39 in Verbindung, der Anschluß 32.ist mit den einander diametral gegenüberliegenden Segmenten-52 und des Kommutators 40 verbunden usw«, Jeweils aufeinanderfolgende Anschlüsse der Ankerwicklung sind also abwechselnd mit dem einen bzw_o dem anderen Kommutator verbunden»

Der elektrische Anschluß an den Kommutator 39 wird durch zwei Kontakträder 60 und 61 gebildet und in gleicher ;7eise bilden zwei weitere Kontakträder 62 und 63 den elektrischen Anschluß für den Kommutator 40_o Die Kontakträder 60 und 61 werden von einem in Figur 7 dargestellten Schleifring 64 gespeist, wo^bei die Anordnung mit der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Anordnung übereinstimmte Die Speisung der Kontakträder 62 und 63 erfolgt von einem Schleifring 65 aus in entsprechender I7eise_o Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Linie, welche die Mittelpunkte ^ der mit dem Kommutator 40 zusammenwirkenden Kontakträder und 63 verbindet, um einen bestimmten Winkel gegen diejenige Linie versetzt ist, welche die Mittelpunkte der mit dem Kommutator 39 zusammenwirkenden Räder 60 und 61 verbindet· Der Versetzungswinkel ist so gewählt, daß stets dann, wenn die Fontakträder 60 und 61 die Mitten von Leitersegmenten des Kommutators 39 berühren, die Kontakträder 62 und 63 sich jeweils im mittleren Bereich von jeweils zwischen zwei Leitersegmenten gelegenen Isolationssegmenten des Kommutators 4C

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befinden» Die Schleifringe 64 und 65 sind über zwei gesteuerte Halbleiterventile T1 und T2 mit einer gemeinsamen Anschlußklemme 66 verbunden.

Die in den Figuren 5» 6 und 7 gezeigte Einrichtung genügt jedoch nur zur Herstellung der elektrischen Verbindung von einer der Anschlußklemmen zu der Ankerwicklung 30„ Für die Verbindung mit der jeweils anderen Anschlußklemme ist eine in geeigneter Weise an die Ankerwicklung 30 angeschlossene weitere Einrichtung erforderlich, welche genauso ausgebildet ist wie die in den soeben genannten Zeichnungsfiguren dargestellte Einrichtung.,

Zur Erläuterung der /irkungsweise der Maschine beim Umlauf in Richtung der in Figur 5 und 6 angedeuteten Pfeile sei angenommen, daß das gesteuerte Halbleiterventil T1 bei der dargestellten Lage der Kontakträder leitend sei. Demgemäß fließt ein Strom von der positiven Anschlußklemme aus über das Ventil T1, den Schleifring 64 und die Kontakträder 60 und 61 zu den Segmenten 41 und 45 des Kommutators und von hier aus über die Verbindungsleitung 31 zu der Ankerwicklung 3Oe Der Rückweg des Stromes verläuft Über eine nicht dargestellte identische Anordnung von Kommutatoren und Halbleiterventilen zurück zur negativen Anschlußklemme. Während

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sich die Welle 4 der Llaschine dreht, kommen die Eontakträder 62 und 63 mit den Leiter Segmenten 52 und. 56 des Kommutators 40 in Berührung, doch fließt über den Kommutator 40 noch so lange kein Strom, bis das gesteuerte Hslbleiterventil T2 gezündet wird und dies geschieht erst, •.venn die Kontakträder 62 und 63 guten Kontakt mit den Leiter- ^ Segmenten 52 und 56 haben« Da die umfangsmäßige Breite der Leitersegmente größer als die umf^angsmäßige Breite der dazwischenliegenden Isoletionsstücke ist, ergibt sich, dal? die Kontaktrader 60 und 61, wenn das Halbleiterventil T2 gezündet wird, immer noch in Berührung mit den Leitersegmenten 41 und 45 des Kommutators 39 stehen«, Aus diesem Grunde'findet in der Ankerspule zwischen den Anschlüssen 31 und 32 eine Kommutierung statt und in gleicher Weise erfolgt eine Kommutierung in der Ankerspule zwischen den Anschlüssen 35 und 36<> Es sind nun L.'ittel vorgesehen, ' "■eiche zur Erzeugung einer Löschspennung für das Halbleiterventil 51 dienen, v.elche in dem die Anschlüsse 31 und 32 und die iinlbleiterventile T1 und T2 enthaltenden geschlossenen Stroffikreis auftritt« Diese Löschspannung kann von an dem Läufer angeordneten Zwischen- oder 7/endepolen erzeugt werden und ist von ausreichender Höhe, um sicherzustellen, daß das H-^lbleiterventil T1 gesperrt wird, bevor die Eontakträder und 61 die Leitersegmente 41 bzw,, 45 verlassen» Bei niedrigen

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Drehzahlen kann die Löschspannung als Wechselspannung in einen Eonmutierungstransformator 67 eingeführt werden» Der Stromfluß zu dem Anschluß 31 wird dann unterbrochen und der Strom fließt nun so lange über das Halbleiterventil T2, die Schleifringe 65 und den Kommutator 40 zu dem Anschluß des Ankers, bis die Kontaktrüder 60 und 61 mit den Leitersegmenten 42 und 46 des Kommutators 39 in Berührung kommen_o Zu diesem Zeitpunkt 'vird das gesteuerte Halbleiterventil Ϊ1 wieder gezündet und in der¹ zwischen den Anschlüssen 32 und befindlichen Ankerspule findet eine Kommutierung statte Dieser Vorgang wiederholt sich fortwährend beim Umlauf des Läufers_o

Bei in der oben beschriebenen ','eise aufgebauten Maschinen kann die am Ständer g.nge ordne te Ankerwicklung die Form einer normalen ','eilen- oder Schleifenwicklung mit einer geeigneten Anzahl von Anzapfungen haben. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß die gesteuerten Halbleiterventile stillstehen, obwohl die Maschine als Gleichstrommaschine umgekehrter Bauart ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Maschine axial lang und hat geringen Durchmesser und die in Figur 1 mit der Bezugszahl 3 bezeichneten Stromzuführungseinrichtungen liegen außerhalb der Maschine, so daß sie leicht isoliert und gekapselt werden können und Verschmutzungen vermieden werden,

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Maschinen der angegebenen ixt können für ganz außerordentlich hohe Spannungen ausgelegt werden₀ Besitzt beispielsweise der &nker zweiunddreißig Anzapfungen und wird in der kominutierenden Ankerspule eine Spannung von 700 Y erzeugt, so beträgt die vom Anker erzeugte Gesamtspannung annähernd 16 · 700 V oder etwa 11 000 V. Sind vier gesteuerte Halbleiterventile mit Nennwerten von 700 V und 300 A vorgesehen, so erhält man einen Motor mit einer Ausgangsleistung von 3500 PS. Die Stromaufnahme eines solchen Motors ist zum Vergleich mit entsprechenden bekannten Gleichstrommaschinen verhältnismäßig gering. Es sei bemerkt, daß die Spannung von 11 OQO V in keiner Weise eine Grenze darstellt und daß Maschinen mit Betriebsspannungen von etwa 33 000 Y gebaut werden können, da der Aufbau des Ständers ähnlich demjenigen von Wechselstrommaschinen ist, welche bei solchen Spannungen arbeiten können. (

Figur 8 zeigt nun eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung auf eine Maschine herkömmlicher Bauart, bei welcher die Ankerwicklung an dem Läufer 80 der Maschine angeordnet ist, während der nicht dargestellte Ständer die Feldwicklung trägt.

An der Welle 83 des Läufers sind jeweils an den einander gegenüberliegenden Enden zwei Kommutatoren 81 und 82 befestigt,

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Der allgemeine Aufbau der Kommutatoren 81 und 82 stimmt mit dem in Figur 5 der Zeichnungen gezeigten Aufbau im wesentlichen überein, jedoch mit der Ausnahme, daß der Strom nicht durch die Innenflächen, sondern durch die Umfangsflachen fließt_o Der Strom gelangt über an dem Kommutator anliegende Kontakträder 84- und 85 und über an dem Kommutator anliegende Kontakträder. 85 und 87 zu den beiden genannten Kommutatoren. Die Kontakträder 84·, 85, 86 und 87 haben mit den Außenflächen der Kommutatoren 81 und 82 rollende Berührung» Mit jedem der Kontakträder ist ein kurzes Achsenstück fest verbunden, wie beispielsweise bei 88 angedeutet ist, und dieses Achsenstück dreht sich zusammen mit dem Kontaktrad, wenn der Kommutator zusammen mit der Läuferwelle umläuftο Der Anschluß zu den Achsen 88 wird durch Bürsten hergestellt, welche auf den Achsen mit reibender Berührung aufliegen» Die Achsen 88 wirken also als Schleifringe» Da sie jedoch geringeren Durchmesser haben, ist der Verschleiß zwischen den. Achsen 88 und den Bürsten 89 bedeutend geringer als bei bekannten Schleifringanordnungen. Die Bürsten 89 sind über steuerbare Halbleiterventile in derselben V/eise mit positiven und negativen Anschlußklemmen verbunden, wie dies bei der Anordnung nach den Figuren 4- bis 7 der Zeichnungen gezeigt worden ist»

Figur 9a und Figur 9b zeigen eine Abwandlungsmöglichkeit, welche auf Maschinen der in Figur 8 gezeigten Art angewendet

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werden kann, doch, sind in diesem Falle die Kommutatoren und S2 durch eine einzige Scheibe 91 ersetzt, deren beide einander gegenüberliegende Flächen in diese Scheibe eingebettete Leitersegmente aufweisen, welche mit Kontaktr'idern 92 im Sinne der Herstellung eines Anschlusses zusammenwirken« Die Achsen 93 der Kontakträder 92 erstrecken sich so, daß sie senkrecht nach abwärts und in Behälter 94 verlaufen, welche quecksilber enthalten, und zu welchen der elektrische Anschluß geführt ist. Auf diese .'.eise wird eine mechanische Reibung auf dem Stromzuf-ührungswege zu den Eontakträdern 92 vermieden.

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Claims

Patentansprüche;

Kommutierungseinriclitung für rotierende elektrische Maschinen, mit einem aus Leitersegmenten und diese voneinander trennenden Isolationssegmenten aufgebauten Kommutator, auf welchem Kontaktstücke aufliegen, sowie mit Schaltmitteln zur Unterbrechung der Stromzufuhr zu den Kontaktstücken jeweils dann, wenn diese ein Leitersegment verlassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke die .Form frei umlaufender Rollen oder Räder (16, 18 bzw. 60, 61, 62, 63 bzw₀ 84-, 85, 86, 87 bzw₀ 91) haben, welche mit dem Kommutator (20 bzwο 39» 40 bzw, 81, bzw. 91) in rollender Berührung stehen.

■2ο Eommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, de£ die I'ont aktroll en oder -räder (16, bzw. 60, 61, 62, 63 bzw. 84-, 85, 66, 87 bzw, 91) an Achsen (14, 15) drehbar gelagert sind, über welche die Stromzufuhr erfolgt.

3o Eommutierungseinrichtung nach .Anspruch 2 für rotierende elektrische L".aschinen, bei ".'eichen die Ankerwicklung

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und die Kommutatorsegrnente am ständer angeordnet sind, dadurch, gekennzeichnet, daB die Achse (14, 15) der Kontoktrollen oder -räder (16, 18 bzw„ 60, 61, 62, 63) zusammen mit der Läuferwelle (4) umlaufend ausgebildet sind (Figuren 2, 3, 5j 6 und 7)·

4-0 Fommutierungseinrichtung nach Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse zu den Achsen (14, 15) der Kontaktroiien oder -räder durch, feststehende Schleifringe (21 bzw. 64, 65) und mit diesen in Berührung stehende, weitere, ebenfalls drehbar auf den Achsen gelagerte Kontaktrollen, oder -räder (17, 19) gebildet sind (Figuren 2 und 7)·

5. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse zu den Kontaktrollen oder -rädern (84, 85, 86, 87 bzw» 92) über Achsen (88 bzw. 93) geführt sind, an welchen diese Kontaktroiien oder -räder starr befestigt sind (Figuren 8, 9a' und 9b).

6o Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß mit den genannten Achsen (88) elektrische Anschlüsse bildende Kontaktbürsten (89) in reibender Berührung stehen (Figur 8),

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7β Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Achsen (93) senkrecht stehen und in ouecksilbergefüllte Behälter ('?-) eintauchen, welche als elektrische Anschlüsse zu den genannten Kontaktrollen oder -rädern (92) dienen (Figuren 9a und 9b).

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