DE1955697C3 - Induktiver Übertrager mit Übertragungssystemen aus umlaufenden und feststehenden Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Übertrager entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Übertrager sind bekannt z. B. aus den US-Patentschriften Re 26 501 und 34 41 886. -to

Derartige Übertragungssysteme dienen zumeist zur Übertragung von elektrischer Leistung und elektrischen Signalen von einem rotierenden zu einem feststehenden Teil einer Maschine und in umgekehrter Richtung. Sie sind z. B. für viele Aufgaben bei der bürstenlosen Erregung von Synchronmaschinen erforderlich.

Die bekannten Lösungen verwenden zwei konzentrisch angeordnete Ringspulen, von denen die eine auf dem rotierenden Teil angeordnet ist. Zur Führung des magnetischen Flusses sind dann zumeist geblechte, Ά magnetisch gut leitende Jochkörper vorgesehen.

Bei Signalübertragern durchsetzen magnetische Fremdfelder, die besonders in elektrischen Maschinen auftreten, die Ringspulen und führen somit zu empfindlichen Störungen. Deshalb ist bei den bekannten Übertragern eine Abschirmung aus magnetisch und/oder elektrisch leitenden Werkstoffen vorgesehen, was auch zu einer Erhöhung der Baulänge der Übertrager führt. Bei Verwendung mehrerer Übertragungssysteme nebeneinander auf einer Welle umfaßt der PIuQ des einen Übertragungssystems sonst auch die Ringspulen des benachbarten und induziert in ihnen eine störende Spannung. Dadurch ist die einwandfreie Übertragung nicht mehr gewährleistet. Bei Leistungsübertragern schließt sich der Wechselfluß nicht nur über M die dazu vorgesehenen Jochkörperteile, sondern auch über benachbarte Lager- und Maschinenteile. Dieser Wechselfluß kann zu erheblichen Beeinträchtigungen faßt sind.

5. Induktiver Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei nur aus einem Teilsystem bestehenden Übertragungssystemen die axial direkt nebeneinanderliegenden Teilwicklungen (12) zweier Übertragungssysteme gleichsinnig vom Strom durchflossen sind.

6. Induktiver Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung aller Jochringe (4,6) jeweils gmeinsame, über den Umfang verteilte Rückenjochstücke (8) vorgesehen sind.

7. Induktiver Übertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Jochringen (4,6) Löcher in axialer Richtung vorgesehen sind, in denen die Rückenjochstücke (8) befestigt sind.

8. Induktiver Übertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem rotierenden Teil radial innerhalb der Rückenjochstücke (8) zwischen den Jochringen (4, 6) distanzhaltende Jochbandringe (9) angeordnet sind.

9. Induktiver Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die rotierenden bzw. feststehenden !ochringe (4, 6) gegenüber den ihnen radial gegenüberliegenden zugeordneten Jochringen (4, 6) eine entsprechend dem axialen Spiel des rotierenden Teils größere axiale Breite vorgesehen ist.

10. Induktiver Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstützung des feststehenden Teils über Lager auf dem rotierenden Teil vorgesehen ist.

führen. Wird bei einem Leistungsübertrager eine Gleichrichtermittelpunktschaltung verwendet, so entsteht zusätzlich noch ein Glej-hfluß, der andere Maschinenteile, besonders die Lager, stark gefährdet.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Übertragungssysteme eines induktiven Übertragers so auszubilden, daß deren insbesondere gegenseitiges Störverhalten auf ein Minimum gebracht wird, ohne daß auch Abschirmungen zwischen ihnen nötig sind, und damit auch einen kompakten, d. h. kurzen, gedrungenen Aufbau eines Übertragers zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Übertrager der eingangs genannten Art gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I. So schließt sich der magnetische Fluß einmal um das erste einander gegenüberliegende Paar der Teilwicklungen und in entgegengesetzter Richtung um das zweite. In der Mitte zwischen den Teilwicklungen addieren sich die beiden Flüsse und werden durch den dafür vorgesehenen koaxialen Jochring geführt. Durch diese Aufteilung der Wicklungen ist der Fremdfeldeinfluß ausgeschaltet. Der umfassende Fremdfluß induziert nämlich in beiden Teilwicklungen die gleiche Spannung, die jedoch entgegengesetzt gerichtet ist und sich somit aufhebt. Der Gleichfluß bei Leistungsübertragern wird in zwei Teile aufgeteilt, so daß eine Aufmagnetisierung der Wellen verhindert wird. Ebenso ist eine störende Beeinflussung durch den Wechselfluß vermieden. Die Maßnahme gemäß der Erfindung ist allerdings nur dann völlig wirksam, wenn der magnetische Leitwert jedes einzelnen Kreises eines Übertragungssystems gleich ist, d.h., die Luftspalte müssen die gleiche Breite

aufweisen, und es muß der magnetische Leitwert der Jochkörper ebenfalls gleich sein.

Wird nur jeweils ein Teilsystem als Übertragungssystem verwendet, so ist es zweckmäßig, axial außen neben den beiden Teilwicklungen an den Enden des Gesamtsystems jeweils einen weiteren Jochring zur Rückführung des Magnetflusses anzuordnen. Die sonst zur Rückführung notwendigen Jochringe zwischen den nebeneinanderlegenden Übertragungssystemen können entfallen, weil der Magnetfluß durch den Jochring des jeweiligen benachbarten Übertragungssystems zurückgeführt ist. Eine Zusammenschachtelung von mehreren Übertragungssystemen ist vorteilhaft möglich. Bei der Verwendung mehrerer untereinander gekoppelter, aus nur einem Teilsystem bestehender Übertragungssysteme sind die axial nebeneinanderliegenden Teilwicklungen zweier Übertragungssysteme zweckmäßig gleichsinnig von Strom durchflossen. Die axial direkt benachbarten Teilwicklungen zweier Übertragungssysteme können vorteilhaft auf einem gemeinsamen Spulenkörper angeordnet sein. Diese Art des Übertragers eignet sich besonders als Leistur.gsübertrager mit verketteten Phasen. Damit ist der Aufwand bei η Übertragungssystemen trotz der Aufteilung der Ringspulen in zwei Teilwicklungen sogar geringer als bei den bekannten Ausführungen, denn es werden somit nur noch π + 1 Teilwicklungen und η + 2 Jochringe gegenüber bisher η Ringspulen und 2 π Jochringen benötigt

Besonders vorteilhaft für Leistungs- und Signalübertrager lassen sich zwei axial nebeneinanderliegende Teilsysteme zu einem Übertragungssystem zusammenfügen. Die axial nebeneinanderliegenden Teilwicklungen zweier Teilsysteme eines Übertragungssystems, die ohnehin ja gleichsinnig vom Strom durchflossen werden, werden in weiterer Ausbildung der Erfindung vorteilhaft zu einer Spule doppelter Windungszahl zusammengefaßt. Damit können die sonst notwendigen weiteren Jochringe zur Rückführung des Magnetflusses an den be.Jen axialen Enden eines Teilsystems und damit auch des Übertragers entfallen, weil der Magnetfluß durch den entsprechenden Jochring des jeweiligen benachbarten Teilsystems zurückgeführt wird. Dadurch läßt sich die Baulänge erheblich verkürzen. Eine Zusammenschachtelung von mehreren Übertragungssystemen nach der aufgezeigten Art ist hier ebenfalls vorteilhaft möglich. Die direkt axial nebeneinanderliegenden Teilwicklungen zweier Übertragungssysteme sind auch hier auf einem Spulenkörper angeordnet. Bei η Überlagern auf einer Welle sind also 2 η + I Teilwicklungen und 2 η Jochringe vonnöten. Dabei sind der Gleichflui3 und der Wechselfluß durch die Welle kompensiert. Die Fremdfeldempfindlichkeit ist nahezu aufgehoben, und es tritt keine gegenseitige Beeinflussung aul.

Der mechanische Aufbau dieser Übertragungssysteme erlaubt einen Einbau in große Maschinen. Eine radiale Verlagerung der Welle, die also zu einem statisch ungleichmäßig breiten Luftspalt führt, ist ohne Einfluß. Ebenfalls ist der Unrundlauf, also eine dynamische Exzentrizität, ohne Bedeutung. Vorausgesetzt ist allerdings hierbei, daß die örtlichen Induktionserhöhungen nicht zur Sättigungserscheinung führen. Eine axiale Verschiebung der Welle führt dazu, daß die Breite des Luftspultes sich ändert. Auch hier kann eine Abhilfe geschaffen werden, indem man einen Teil um jeweils den auftretende Wert einer axialen Verschiebung breiter macht. Dadurch bleibt die Größe der

Luftspaltfläche erhalten. Schwierigkeiten bereiten allerdings Verkantungen des Übertragers, d. h, wenn keine Achsparallelität sichergestellt werden kann. In diesem Fall kann es bei dem Aufbau mehrerer Übertrager auf einer Welle zu Störungen kommen. Allgemein wird aber verlangt, daß der Luftspalt des Übertragers etwa der Größe des Luftspaltes der Maschine entspricht, da bei diesen großen Werten eine geringe Unparallelität der Wellen wohl kaum von Einfluß ist. Soll auch diese Störung vermieden werden, so kann dadurch, daß die außen ruhenden Jochkörper sich über Lager auf dem rotierenden Teil abstützen, jeder radialen und axialen Bewegung gefolgt werden. Durch diese Ausführung ist es zulässig, die Weite des Luftspaltes wesentlich auch bei einem Zusammenbau mit großen Maschinen zu verringern. Gleichzeitig hat diese Ausführung den Vorteil, daß eine Kapselung zur Vermeidung von Verunreinigungen durch die Kühlluft ohne Schwierigkeiten möplich isi. Eine Beschädigung bei dem Ein- bzw. Ausbau von Maschinen kann auf ^J;ese Weise leicht vermieden werden.

Je nach den verwendeten Frequenzen und den zulässigen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten sind die Werkstoffe der den Magnetfluß führenden Teile auszuwählen. Gegebenenfalls ist eine Blechung vorzunehmen. Eine Blechung muß möglichst im Feldlinienverlauf ausgeführt werden. Das läßt sich jedoch nur sehr schwer realisieren. Aus diesem Grunde ist eine Kombination von geblechtem und ungeblechtem Material von Vorteil, da sich in diesem Fall die Feldlinien nicht quer zur Blechebene bewegen müssen. Erfolgt die Blechung in jeweils verschiedenen Ebenen, so kann vorteilhaft, um einen möglichst guten magnetischen Kontakt zu erreichen, die Federwirkung des Materials ausgenutzt bzw. durch Einschieben von gewellten Blechfedern noch erhöht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgender näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Teilsystems,

•^r i g. 2 ein Übertragungssystem, das aus einem Teilsystem besteht,

F i g. 3 einen Übertrager mit drei Übertrcgungssystemen, die jeweils aus einem Teilsystem bestehen,

F i g. 4 ein Übertragungssystem, das aui zwei Teilsystemen besteht,

Fi g. 5 einen Übertrager mit drei Übertragungssystemen, die jeweils aus zwei Teilsystemen bestehen,

Fi g. 6 eine konstruktive Ausgestaltung des rotierenden Teils eines Übertragungssystems mit zwei Teilsystemen und

F i g. 7 einen senkrechten Schnitt durch die Ausgestaltung des Übertragungssystems entsprechend der F i g. 6.

Der prinzipielle Aufbau eines Teilsystems besteht gemäß Fig. I aI¹S zwei primärseitigen, ruhenden Teilwicklungen 11 und 12 und zwei umlaufenden, den primärseitigen Teilwicklungen 11 und 12 radial gegenüberliegenden sekundärseitigen Teilwicklungen 21 und 22, wobei alle Teilwicklungen die Rotationsachse umschließpn. Die primärseitigen Teilwicklungen 11, 12 und die sekundärseitigen Teilwicklungen 21,22 besitzen jeweils gleiche Durchmesser, Windimgszahlen und Leiterquerschnitte, sind jeweils elektrisch gegeneinandergeschaltet und schließen jeweils einen koaxialen Jochring 6 zur Führung des zwischen ihnen fließenden Magnetflusses zwischen sich ein.

Das Übertragungssystem, das in der Fig.2 dargestellt ist, besteht aus einem Teilsystem, welches gemäß

der Erfindung primärseitig aus den beiden Teilwicklungen Il und 12 und sekundärseitig auf dem rotierenden Teil aus den beiden Teilwicklungen 21 und 22 besteht. Dabei sind die Teilwicklungen 11 bzw. 21 jeweils elektrisch den Teilwicklungen 12 bzw. 22 entgegengeschaltet, was primärseitig durch die entsprechenden Symbole für die Stromrichtung innerhalb der einzelnen Teilwicklungen (11,12) angedeutet ist. Der magnetische Fluß ist durch die Pfeile 3 gekennzeichnet. Er umschließt das linke Teilsystem im entgegengesetzten Sinn zum in rechten, so daß sich im mittleren lochring 6 aus magnetisch gut leitendem Werkstoff die Flüsse, die durch die beiden Teilwicklungen 11, 12 hervorgerufen werden, addieren. Dagegen hebt sich wegen der elektrischen Gegeneinandcrschaltung der einander gleichen Teilwicklungen 11 und 12 bzw. 21 und 22 eine durch magnetische Fremdfelder, die durch sie hindurchtrclcri, induzierte Spannung auf. Die Rückführung des Magnetflusses ist durch die äußeren Jochringe 4 gewährleistet.

In der Fig. 3 sind drei aus jeweils einem Teilsystem bestehende Übertragungssysteme 51, 52 und 53 zu einem Übertrager, z. B. für dreiphasig verkettete Leistungen, zusammengefügt. Die einzelnen Teilsysteme bestehen wieder jeweils aus den elektrisch :ϊ gegeneinandergeschalteten primärseitigen Teilwicklungen 11 und 12 bzw. sekundärseitigen Teilwicklungen 21 und 22. Die Übertragungssysteme 51,52,53 sind hierbei so aneinandergefügt, daß die aneinandergrenzenden Teilwicklungen zweier Übertragungssysteme jeweils in gleichsinnig vom Strom durchflossen sind (z. B. die Teilwicklungen 12 der Übertragungssysteme 51 und 52). Diese einander benachbarten Teilwicklungen sind jeweils auf einem gemeinsamen Spulenkörper 14 untergebracht. Es fehlen also die Jochringe an den H genannten Stellen, an denen die Übertragungssysteme aneinandergrenzen, weil der Magnetfluß 3 sich jeweils über den jeweiligen Jochring 6 des benachbarten Systems schließen kann. Dadurch ist die Baulänge gering. Axial außen neben den beiden Teilwicklungen w am Ende des Übertragers (11, 21 des Übertragungssystems 51 und 12, 22 des Übertragungssystems 53) ist jeweils ein weiterer Jochring 4 zur Rückführung des magnetischen Flusses an dieser Stelle vorgesehen.

Verwendet man zwei elektrisch gegensinnig aneinandergeschaltete Teilsysteme, so können die äußeren Jochringe fortfallen, wie es in Fig.4 dargestellt ist. Die Führung des magnetischen Flusses erfolgt nunmehr über die Jochringe 6 der beiden Teilsysteme. Die beiden direkt nebeneinanderliegenden Teilwicklungen 12 bzw. 22 der beiden Teilsysteme sind elektrisch so geschaltet, daß sie gleichsinnig vom Strom durchflossen sind. Sie können deshalb durch eine einzige Spule doppelter Windungszahl ersetzt werden.

In der F i g. 5 ist die Aneinanderfügung von drei Übertragungssystemen 71, 72, 73, die jeweils aus zwei Einzelsystemen bestehen, aufgezeigt. Für den Fall, daß die Teilwicklungen des Übertragungssystems 72 in umgekehrter Folge wie die der Übertragungssysteme 71 und 73 vom Strom durchflossen sind, ist jeder magnetische Fluß 3 eines Übertragungssystems von den anderen unbeeinflußt, so daß hier der ideale, von Fremdfeldeinflüssen ungestörte Leistungs- und Signalübertrager vorliegt.

Die F i g. 6 und 7 zeigen den Rotorteil eines aus zwei

Spule 22 ist die Zusammenfassung der zwei aneinandergrenzenden Teilwicklungen des linken und des rechten Teilsystems. Der magnetische Fluß wird mittels der magnetisch gut leitenden, über den Umfang verteilten Rückenjochstücke 8 zwischen den Jochringen 6 geführt. Bei mehreren Übertragungssystemen können die Rückenjochstücke sich in der Länge über den gesamten Übertrager erstrecken und so stückweise der Führung des Magr otflusses zwischen jeweils zwei Jochringen dienen. Zur besseren Verankerung sind in den Jochringen 6 Löcher in axialer Richtung vorgesehen, in denen die Rückenjochstücke 8 befestigt sind. Die Löcher können sich im Querschnitt in der Hauptrichtung radial, tangential oder quer erstrecken.

Um ein Verschieben der Rückenjochstücke 8 zu verhindern, sind die distanzhaltenden Joch-Bandringe 9 angeordnet. Damit die Rückenjochstücke 8 auch mit ihrer breiten Seite gut an den Jochringen 6 (bzw. 4) anliegen, ist es bei geblechten Ausführungen zweckmäßig, die natürliche Welligkeit einzelner Blechstreifen künstlich zu erhöhen, um somit die Federwirkung zu verstärken. Um die Rückenjochstücke 8 zu einem eventuellen Verkleben in ihre betriebsmäßige Lage zu bringen, sind Anordnungen, wie z. B. der Keil 10 vorgesehen, die die Rückenjochstücke 8 nach außer drücken und nach dem Verkleben entfernt werden.

Um Störungen durch das axiale Spiel des umlaufenden gegenüber dem feststehenden Teil zu vermeiden, isi gemäß F i g. 2 der rotierende Teil um das entsprechende Spiel axial langer als der feststehende ausgeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Induktiver Übertrager mit einem oder mehreren, mit gemeinsamer Achse axial nebeneinanderliegenden, aus einem umlaufenden und einem feststehenden Teil bestehenden, induktiven Übertragungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Übertragungssystem (51—53; 71—73) entweder aus einem Teilsystem allein oder aus zwei elektrisch gegensinnig aneinandergeschalteten Teilsystemen gebildet ist und bei jedem Teilsystem primär- und sekundärseitig jeweils zwei die Rotationsachse umschließende, magnetisch zueinander antiparallele Teilwicklungen (11,12; 21, 22) gleicher Durchmesser, Windungszahlen und Leiterquer- is schnitte mit jeweils einem dazwischenliegenden koaxialen Jochring (6) zur Führung des magnetischen Flusses zwischen den Teilwicklungen (11, 12; 21,22) angeordnet sind.

2. Induktiver Übertrager nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die axial direkt nebeneinanderliegenden Teilwicklungen (12 bzw. 22) zweier Übertragungssysteme auf einem gemeinsamen Spulenkörper (14) angeordnet sind.

3. Induktiver Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, 2s dadurch gekennzeichnet, daß axial außen neben den beiden Teilwicklungen an den Enden des Übertragers jeweils ein weiterer Jochring (4) angeordnet ist.

4. Induktiver Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei aus zwei Teilsystemen gebildeten Übertragungssystemen die axial direkt nebeneinanderliegenden Teilwicklungen gleichsinnig vom Strum dur-w-hfiossen sind und zu einer Spule doppelter Windungszahl zusammenge-