DE19810566A1 - Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine, nämlich einen Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungen jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche auf der Maschinenachse angeordnet sind. Die Läufer weisen elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen auf, welche gegensinnig rotierende Felder erzeugen. Beim Motorbetrieb werden die Ständerwicklungen jeweils mit Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt, so daß sich in Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies Drehmoment an den verbundenen Läufern einstellt. Beim Generatorbetrieb der Maschine greift ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern oder der Maschinenachse an, welches im nicht fremd erregten Teil der Ständerwicklung eine abgreifbare Spannung mit einer Freuqnez erzeugt, die von der Läuferdrehzahl, der Erregerfrequenz und der Polpaarzahl der Ständer- und der Erregerwicklung abhängt. Erfindungsgemäß sind die Läufer- und Ständerwicklungen ausgehend von der Maschinenachse radial übereinander oder koaxial angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Ständer- und Läuferwicklungen auf der Maschinenachse axial benachbart, wobei hier zwischen zwei Ständerwicklungen jeweils ein Läufer befindlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungen jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche auf der Maschinenachse angeordnet sind, wobei die elektrisch und mechanisch verbundenen Läufer Drehfeldwicklungen aufweisen, welche in bezug auf den Läufer gegensinnig rotierende Felder erzeugen.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 311 717 A1 ist ein Synchrongenerator bekannt, welcher zwei beabstandete Statoren aufweist. Die Statoren umschließen zwei auf einer Achse beab­ standet angeordnete Läufer, die elektrische Wicklungen aufwei­ sen.

Die Wicklungen der Läufer sind über Kreuz miteinander elek­ trisch verbunden. Die Statorwicklungen sind parallel geschaltet und werden mit einer konstanten Frequenz beaufschlagt.

Beim Betreiben des bekannten Synchrongenerators mit konstanter Frequenz bzw. jeweils gleicher Feldfrequenz in den Wicklungen oder Statoren führt jedoch zu einer unbefriedigenden Arbeits­ weise mit extrem schlechtem Wirkungsgrad. Letztendlich ent­ stehen störende Oberwellen, die für die Anwendung des Syn­ chrongenerators ebenfalls von Nachteil sind.

Eine vorgeschlagene frequenzseitige Trennung beim Beaufschlagen der Statorwicklungen mit Wechselspannung dient lediglich der Justage durch gegenseitiges Verdrehen der Wicklungen der Statoren im Falle einer unerwünschten Phasenverschiebung.

Ausgehend von dem kurz umrissenen bekannten Stand der Technik wurde mit der Patentanmeldung 197 31 930.0 eine derartige elek­ trodynamische Maschine so weitergebildet, daß diese sowohl als Synchrongenerator- und/oder -motor bzw. als Lichtmaschine einge­ setzt werden kann, wobei eine kostengünstige mechanische und elektrische Konstruktion anzugeben ist, die darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad unter allen Betriebsarten gewährlei­ stet.

Der Grundgedanke der obengenannten Anmeldung liegt nun darin, von einer Maschine auszugehen, die zueinander ausgerichtete Läufer- und Ständerwicklungspaare aufweist, die längs einer ge­ meinsamen Maschinenachse angeordnet sind. Die Läufer weisen elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen auf, die durch eine drehfeldumkehrende leitende Verbindung bzw. ent­ sprechende Verdrahtung in der Lage sind, gegensinnig rotierende Felder zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird beim Motorbetrieb der Maschine eine Erregung der Ständerwicklungen der Wicklungspaare jeweils mit einer Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz vorgenommen, wobei sich in Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies, abgreifbares Drehmoment an den verbundenen Läufern bzw. der Läuferachse einstellt.

Beim Betrieb der Maschine als Generator wirkt ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern bzw. der Maschinenläuferachse, welches in einem nicht fremderregten Teil des Ständers eine abgreifbare Spannung mit einer Frequenz er­ zeugt, die sich aus der Läuferdrehzahl, der Erregerfrequenz des erregenden Ständers bzw. Stators und der jeweiligen Polpaarzahl ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit des kombinierten Betriebes als Synchrongenerator und -motor der elektrischen Maschine dergestalt, daß z. B. ein Verbrennungsmotor dadurch angelassen wird, daß die Maschine über variable Frequenzen, die an die Ständerwicklungen angelegt werden, sich durch die induzierten Spannungen und Ströme im Läufer in Drehung versetzt. In dem Moment, bei dem der Verbrennungsmotor seine Betriebsdrehzahl erreicht, kann über die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebsseite des Verbrennungsmotors und der Maschinenachse ein Drehmoment auf die Läufer einwirken, wobei dann die Maschine als Generator wirkt und ins Netz einspeist, respektive elektrische Energie erzeugt. Durch Erhöhen oder Verringern der variablen Frequenzen kann bei angenommenem konstanten Motordrehmoment, was jedoch keine Bedingung ist, eine Veränderung der Generatordrehzahl und dadurch eine Leistungsregelung erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken kann der Ständer eines er­ sten der Wicklungspaare mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden. An den verbundenen Läufern bzw. der Maschinen- oder Läuferachse wirkt in diesem Falle ein äußeres Drehmoment ein derart, daß sich am Ständer eines zweiten der Wicklungspaare eine induzierte Wechselspannung einstellt, so daß sich die Funktion einer Lichtmaschine ergibt.

Durch zeitweises Kurzschließen der Wicklungen eines Ständers kann die Maschine zum Anlaufen in den Asynchronbetrieb ge­ zwungen werden. Das ansonsten für den Betrieb einer Synchron­ maschine notwendige mechanische Einwirken einer Mindestdrehzahl bzw. eines Mindestdrehmoments auf die Maschinenachse kann daher entfallen.

Die auf der gemeinsamen Maschinenachse angeordneten Läufer be­ stehen bei einer bevorzugten Ausführungsform aus jeweils minde­ stens drei Stableitern, die einen Käfigläufer bilden.

Die Stableiter sind am außenseitigen Ende kurzgeschlossen und an den zueinanderweisenden Enden drehfeldumkehrend verbunden.

Vorzugsweise sind die Stableiter des Läufers eines ersten der Wicklungspaare in einem Verbindungsabschnitt im wesentlichen parallel in den Käfig der Stableiter des Läufers eines zweiten der Wicklungspaare hineinerstreckend ausgebildet und dort der­ art gegeneinander in Rotationsrichtung winkelverschoben, daß korrespondierende Stableiterenden bei gleichzeitiger elektrischer Isolation nichtkorrespondierender Abschnitte mittels einfacher Brücken oder dergleichen verbunden werden können. Zum Betreiben der elektrischen Maschine als Motor können die Ständerwicklungen sowohl mit je konstanter und variabler Frequenz als auch mit zwei jeweils für sich variablen Frequenzen betrieben werden, wobei erfindungswesentlich der Grundsatz ist, daß für den Erhalt eines entsprechenden Drehmomentes bzw. das Einstellen einer gewünschten Drehzahl un­ terschiedliche Feldfrequenzen erforderlich sind.

Die Ständerwicklungen haben stets zueinander unterschiedliche Feldfrequenzen bei gleicher Polpaarzahl und bei unterschiedli­ cher mechanischer Drehzahl auch unterschiedliche generierte Frequenzen.

Um eine konstante Ausgangsfrequenz im Generatorbetrieb zu er­ halten, wird bei variabler Läuferfrequenz das Ständer- Erregerfeld entsprechend verändert oder bei konstanter Erregerfrequenz ergibt sich mit der Läuferdrehzahl eine Ver­ änderung der Frequenz in der zweiten Ständerwicklung. Motor- und Generatorfunktionen der elektrodynamischen Maschine zeich­ nen sich dadurch aus, daß in beiden Fällen an den jeweiligen Ständerwicklungen unterschiedliche Magnetfeldfrequenzen zu ver­ zeichnen sind und sich der Läufer in Abhängigkeit von der re­ sultierenden Differenzfrequenz dreht.

Beim Betriebsfall Lichtmaschine werden, wie dargelegt, die Wicklungen eines Statorteils mit einer Gleichspannung beauf­ schlagt. Diese induziert in den Wicklungen des entsprechenden Läuferteils bei mechanischer Drehung eine resultierende Spannung. Diese erzeugt über dem andern Läuferteil ein in Drehrichtung rotierendes Magnetfeld, welches im dazugehörigen Stator eine Wechselspannung induziert. Durch die Frequenzer­ höhung kann eine entsprechend höhere Leistung entnommen werden.

Die Fertigungskosten der elektrodynamischen Maschine können durch die vorgeschlagene Ausbildung von Käfigläufern bereits erheblich reduziert werden, wobei die Läuferteile vorgefertigte Guß- oder Spritzteile sein können, die entsprechend mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Anzahl der Stableiter im je­ weiligen Käfigläufer muß ≧ 3 sein. Mit Vergrößerung der Anzahl der Stäbe läßt sich der Schwingungsverlauf der induzierten Frequenz in Richtung Sinusform verändern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Synchrongenerator der oben beschriebenen Art derart weiterzu­ bilden, daß die Bauform im Sinne einer Bauraumreduzierung, ins­ besondere Reduzierung der Baulänge, verändert werden kann, und wobei die zur Drehfeldumkehr notwendig werdende elektrische Verbindung zwischen den Läuferteilen vereinfacht werden soll.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 5, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird von radial ausgerichteten, übereinander rotierenden Magnetfeldern ausge­ gangen, wobei die Ständer- und Läuferwicklungen bzw. Käfige von der Maschinenachse ausgehende radial übereinander oder koaxial angeordnet sind, so daß die resultierenden Magnetfelder gegen­ sinnig rotieren können.

Bei dieser Ausführungsform rotieren demnach zwei Magnetfelder in unterschiedlichem radialen Abstand zur Welle zwischen Ständer und Läufer gegensinnig. Die Flächen, die von diesen Feldern zwischen Läufer und Ständer überstrichen werden, bilden Zylinder, wobei der Zylinder mit dem geringeren Durchmesser im anderen Zylinder quasi koaxial angeordnet ist. Die gewünschte gegensinnige Rotation wird durch das elektrische Verschalten der Läuferwicklungen oder der Stäbe eines Käfigläufers erreicht. Die Läuferstäbe können vorzugsweise bei unterschiedlicher Polzahl des inneren und äußeren Teils parallel geschalten werden, so daß beispielsweise ein Stab innen mit zwei Stäben außen verbunden ist. Als Wicklungsträger oder Wicklungskörper können Bleche verwendet werden, welche aus der Herstellung elektrischer Maschinen allgemein bekannt sind.

In einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform besteht diese aus einer Dreizylinder-Anordnung mit einem inneren zylindri­ schen Ständer sowie einem äußeren zylindrischen Ständer, wobei zwischen diesen beiden Zylindern der zylindrische Läufer be­ findlich ist. Die innere und äußere Läuferwicklung des zylin­ drischen Läufers sind gegensinnig verschalten, um die ge­ wünschte Magnetfeldrotation sicherzustellen.

Durch die Anordnung der Wicklungen übereinander reduziert sich der Bauraum bei dieser Ausführungsform der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik. Die Größe der Ständer­ wicklungen ist durch die unterschiedlichen Durchmesser der Zylinder-Anordnung ebenfalls unterschiedlich. Vorzugsweise wird an der der Maschinenachse nächstliegenden Ständerwicklung unter Beachtung der Wärmeabfuhr diese als Erregerwicklung mit entsprechend geringerer Leistung ausgelegt.

Bei der Ausführung als Käfigläufer befindet sich die elektri­ sche Verbindung zur Drehfeldumkehr an einem axialen Ende und die Kurzschlußverbindung am gegenüberliegenden Endteil des Läufers. Hierdurch kann diese Verbindung sehr einfach ausge­ führt werden, wobei beispielsweise auf U-förmig gebogene Stäbe zurückgegriffen werden kann, deren Enden kurzgeschlossen sind und deren Bögen sich überkreuzen. Hier besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die Stäbe im spritzgußverfahren herzustellen.

Der vorstehend beschrieben Gesamtaufbau ist äußerst einfach und kompakt. Bei einer Ausführungsform als Generator mit einer in­ nenliegenden Gleichstromwicklung ist das Bauvolumen im Vergleich zur Leistung geringer als beim Stand der Technik, da bei gleicher Drehzahl die Erregerfrequenz des gedrehten Läuferfeldes sich bei gleicher Polzahl gegenüber der entspre­ chenden Ständerwicklung verdoppelt.

Die Läuferbleche können zweifach genutzt werden, wobei eben­ falls die Möglichkeit besteht, eine Trennung des inneren vom äußeren Magnetflusses durch die Verwendung einer entsprechenden Zwischenlage oder einer differenzierten Blechanordnung zu voll­ ziehen.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Ständer- und Läuferwicklungen auf der Maschinenachse axial be­ nachbart angeordnet, wobei zwischen zwei Ständerwicklungen je­ weils ein Läufer befindlich ist. Das gegensinnige Rotieren der Felder wird durch ein Verschalten der jeweils inneren und äuße­ ren Wicklungen realisiert, wobei bei einer Ausführungsform mit mehreren Läufern diese auf einer gemeinsamen Achse angeordnet werden.

Bei der zweiten Ausführungsform ist es ebenfalls in einfacher Weise möglich, unter Rückgriff auf einen Stab- oder Käfigläufer die Stäbe an einem Ende radial kurzzuschließen und am gegen­ überliegenden Ende so zu verschalten, daß ein rotierendes Magnetfeld auf der einen Läuferseite ein gegensinniges Rotieren des Feldes auf der anderen Läuferseite hervorruft.

Die Ständer- und Läuferwicklungen bzw. Käfigläufer sind demnach also axial auf der Welle angeordnet, wobei zwischen Ständer und Läufer mindestens zwei axial nebeneinanderliegende Magnetfelder mit axialer Ausrichtung beliebiger Polzahl gegensinnig rotie­ ren.

Die Flächen, die diese Felder zwischen Läufer- und Ständerwicklung überstreichen, bilden quasi Scheiben. Die ge­ gensinnige Rotation wird durch die elektrische Verschaltung der Läuferwicklungen oder -stäbe wie vorbeschrieben erreicht.

Bei Verwendung von Läuferstäben eines Käfigläufers erfolgt die elektrische Verbindung zur Drehrichtungsumkehr vorzugsweise am äußeren Radius und der Kurzschluß der Stäbe vorzugsweise innen. Die Läufer- und Ständerbleche sind axial ausgerichtet.

In vorteilhafterweise erfolgt ein Wickeln der jeweiligen Blechpakete sowie ein nachträgliches Einbringen von Schlitzen zur Aufnahme der Stäbe oder Wicklungen.

Da bei einer einfachen Ausführung der elektrodynamischen Maschine auf die Maschinenachse bzw. -welle auch axiale Kräfte wirken, werden in einer Weiterbildung auf der Maschinenachse zwei Läufer, die sich jeweils zwischen Ständerwicklungen befin­ den, angeordnet.

Die konstruktive Anordnung erfolgt vorzugsweise dergestalt, daß ein symmetrisches Gebilde zu beiden Seiten der Querachse der mittleren Ständerwicklungen realisiert wird. Vorzugsweise wer­ den bei der Weiterbildung die mittleren Ständerwicklungen als Erregerwicklungen ausgeführt. In axialer Richtung nach außen sind dann die Läuferscheiben angeordnet, den wiederum nach au­ ßen gerichtet die entsprechenden Lastwicklungen gegenüberste­ hen.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung führt nun dazu, daß die Wicklungsköpfe von Läufer und Ständer dicht beieinander liegen, so daß die gewünschte Bauraumreduzierung erreichbar ist. Der Gesamtaufbau ist äußerst einfach und kompakt, wobei die zweite Ausführungsform in besonders vorteilhafter Weise für Langsamläufer, z. B. Windkraftgeneratoren, geeignet ist.

Die elektrischen Verbindungen bei einer Ausführungsform als Käfigläufer werden analog der ersten Ausführungsform reali­ siert.

Hinsichtlich der Gestaltung der elektrischen Verbindung zur Drehfeldumkehr gilt erfindungsgemäß, daß bei einer Maschine mit mehreren Polpaaren eine komplette Drehrichtungsänderung nicht notwendig ist. Hier wurde erkannt, daß es für eine Funktion ausreichend ist, wenn die Drehrichtung jeweils in einem Winkelbereich von 360°/Anzahl der Pole geändert wird.

Bei den vorstehend erwähnten Ausführungsformen kann durch Überkreuzen der Stäbe relativ einfach die Verbindung zwischen den einzelnen Läuferteilen hergestellt werden, wobei an der Kreuzungsstelle eine elektrische Isolation vorgesehen ist. Stäbe, die zu den Magnetpolen in gleichem Winkel stehen, könne parallel verschalten werden, wodurch die Anzahl der Kreuzungen reduzierbar ist.

Bei einer großen Stabzahl pro Magnetpol wird die leitende Verbindung vorzugsweise scheibenförmig mit derselben Ausrichtung und in ähnlicher Form wie die ferromagnetischen Bleche der Läuferteile ausgeführt. Diese leitenden Scheiben sind gegeneinander isoliert. Die Stäbe werden an der gewünsch­ ten Stelle mit den ferromagnetischen Blechen verlötet, wobei für eine ausreichende Isolation gegenüber den Scheiben anderen Potentials Sorge zu tragen ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigt:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch eine elektrodynamische Maschine gemäß der ersten Ausführungsform in ko­ axialer Anordnung;

Fig. 1b einen Querschnitt durch die elektrodynamische Maschine längs der Linie gemäß Fig. 1a;

Fig. 2a einen Längsschnitt durch die elektrodynamische Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform;

Fig. 2b einen Querschnitt entlang der Linie gemäß der Fig. 2a;

Fig. 2c einen Längsschnitt durch eine elektrodynamische Maschine, welche von axial gerichteten Kraftkomponenten frei ist;

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung der elektrischen Verschaltung der elektrodynamischen Maschine ge­ mäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 3b eine Prinzipdarstellung des Aufbaus der Läuferkäfige bei einer elektrodynamischen Maschine mit radial ausgerichteten, übereinander entgegengesetzt rotierenden Magnetfeldern;

Fig. 4a eine prinzipielle elektrische Verschaltung der Wicklungen einer elektrodynamischen Maschine ge­ mäß der zweiten Ausführungsform;

Fig. 4b eine Darstellung des Aufbaus der Läuferkäfige einer elektrodynamischen Maschine mit axial aus­ gerichteten, zueinander entgegengesetzt rotie­ renden Magnetfeldern;

Fig. 5 und 6 Darstellungen zur Realisierung der Drehfeldum­ kehr;

Fig. 7 Darstellungen zur Verbindung der Läuferwicklungen bei niedriger Stabzahl pro Pol; und

Fig. 8 eine Darstellung zur Ausführung der entsprechen­ den Verbindungen bei einer hohen Stabzahl pro Pol.

Zunächst sei angemerkt, daß die in den Figuren dargestellten Sachverhalte als erfindungswesentlich offenbart gelten sollten.

Die Fig. 1a und 1b zeigen einen Längs- bzw. einen Querschnitt durch eine elektrodynamische Maschine gemäß der er­ sten Ausführungsform der Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform wird von einer Dreizylinder- Anordnung ausgegangen. Ein innerer Ständer 7, umfassend ein in­ neres Blechpaket sowie mindestens eine innere Ständerwicklung 8 ist fest mit einem äußeren Ständer, umfassend äußere Ständerwicklungen 6 sowie ein äußeres Blechpaket 5 verbunden. Das zylindrische Blechpaket 1 des Läufers ist über konstruktive Elemente mit einer entsprechend gelagerten Maschinenachse verbunden und drehbeweglich. Die Stäbe des Läufers, d. h. In­ nen- und Außenkäfig sind mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Die Drehrichtungsumkehr 3 wird durch Kreuzen der Stäbe an einem entsprechenden Ende erreicht. Am gegenüberliegenden Ende befindet sich ein Kurzschlußring 4.

In der Fig. 1b ist eine optionale Trennung der Läuferbleche mit 9 bezeichnet.

Bei der in der Fig. 1a und 1b dargestellten Ausführungsform sind also die Läufer- und Ständerwicklungen ausgehend von der Maschinenachse radial übereinander oder koaxial derart angeord­ net, daß die resultierenden Magnetfelder gegensinnig rotieren können.

Die Läuferbleche selbst liegen zylinderförmig übereinander und die Stäbe des inneren und äußeren Feldes sind auf der einen Seite des Zylinders ringförmig kurzgeschlossen. Auf der gegenüberliegenden Seite findet dann die notwendige Drehfeldumkehr statt. Der Zylinder läßt sich für Maschinen ge­ ringerer Leistung, z. B. durch Spritzgußverfahren einschließlich der kurzzuschließenden Bereiche und der Drehfeldumkehr leicht herstellen. Für die erforderliche Isolierung der Stäbe wird ein Ring aus einem hitzbeständigen isolierendem Material mit geeigneten Aussparungen dem Blechpaket beigelegt und der Läufer in einem Arbeitsgang ausgespritzt. Der fertige Läuferzylinder wird durch eine Scheibe vorzugsweise auf der Seite der Kurzschlußringe mit der Maschinenachse verbunden. Im Inneren des Läuferzylinders sitzt die mechanisch mit dem Gehäuse verbundene Erregerspule mit Gleich- oder Drehstromwicklung. Außen über dem Läuferzylinder ist die fest mit dem Ständer verbundene Arbeitswicklung angeordnet, in der durch das rotierende Läuferdrehfeld Strom induziert wird.

Bei einer elektrodynamischen Maschine wie vorstehend verein­ facht sich die Herstellung, es ergibt sich eine kompakte Bauweise und insgesamt geringere Kosten. Die Ausführungsform der elektrodynamischen Maschine gemäß den Fig. 2a und 2b betreffen eine Anordnung von Ständer- und Läuferwicklungen auf der Maschinenachse axial benachbart.

Ein erstes Blechpaket 1 einer ersten Ständerwicklung liegt ei­ nem Blechpaket 2 einer zweiten Ständerwicklung beabstandet ge­ genüber. Im Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Blechpaket 1, 2 befindet sich das Blechpaket 5 des Läufers. Dieses Blechpaket bzw. der Läufer ist mit der Maschinenachse verbunden und drehbeweglich. Eine erste Ständerwicklung 3 be­ findet sich auf dem ersten Blechpaket 1 und eine zweite Ständerwicklung 4 auf dem zweiten Blechpaket 2. Mit dem Bezugszeichen 6 sind Verbindungen zur Drehfeldumkehr und mit dem Bezugszeichen 7 Kurzschlußringe bezeichnet. Läuferwicklungen oder Stäbe eines Käfigläufers 8 sind weiterhin Bestandteile des um bzw. mit der Maschinenachse rotierenden Läufers.

Wie aus den Abbildungen ersichtlich, sind also Ständer- und Läuferwicklungen bzw. entsprechend Käfigläufer axial auf der Welle angeordnet, wobei zwischen Ständer und Läufer mindestens zwei axial nebeneinanderliegende Magnetfelder mit axialer Ausrichtung beliebiger Polzahl gegensinnig rotieren. Die Flächen, die diese Felder zwischen Läufer und Ständer über­ streichen, bilden Scheiben. Die erforderliche gegensinnige Rotation wird durch eine entsprechende elektrische Verschaltung der Läuferwicklungen oder -stäbe erreicht.

Da bei den in Fig. 2a und 2b gezeigten Ausführungsformen auch an sich unerwünschte axiale Kräfte wirken, besteht die Möglichkeit der symmetrischen Ausbildung der elektrodynamischen Maschine gemäß Fig. 2c. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auf der Maschinenachse zwei Läufer angeordnet, welche jeweils von Ständerwicklungen axial beabstandet umgeben sind. Die inne­ ren Ständerwicklungen werden vorzugsweise als Erreger benutzt, wobei die äußeren Ständerwicklungen Lastwicklungen darstellen.

Zur elektrischen Verschaltung der Maschinen gemäß erster und zweiter Ausführungsform sei auf die Fig. 3a und 4a verwie­ sen.

Hinsichtlich des Aufbaus der Läuferkäfige bei radial ausgerich­ teten, übereinander entgegengesetzt rotierenden Magnetfeldern besteht die Möglichkeit, wie in Fig. 3b dargestellt, Läuferstäbe einseitig elektrisch über Kreuz zu verbinden und an der gegenüberliegenden Seite einen einfachen Kurzschluß des in­ neren Ringes einerseits und des äußeren Ringes oder Käfigs an­ dererseits zu erreichen.

Ebenso einfach kann die elektrische Verbindung zur Drehfeldumkehr bei Läuferkäfigen ausgeführt werden, die axial ausgerichtete, zueinander entgegengesetzt rotierende Magnetfelder erzeugen. Die Läuferstäbe gemäß Fig. 4b sind durch teils kreisförmig oder geradlinige Teile zur Drehfeldumkehr verschalten, wobei innenseitig ein Kurzschluß der Käfigteile durch Scheiben oder Ringe erreichbar ist.

Allgemein kann festgehalten werden, daß bei Maschinen mit ent­ gegengesetzt rotierenden Magnetfeldern die Umkehr des elektri­ schen Drehfeldes zwischen den Läuferteilen konstruktiv schwie­ rig umzusetzen ist. Die Gestaltung dieser Drehfeldumkehr hat jedoch entscheidenden Einfluß auf den Fertigungsaufwand.

Bei elektrischen Maschinen mit mehreren Polpaaren muß jedoch keine komplette Drehrichtungsänderung vorgenommen werden. Hier genügt es, wenn die Drehrichtung jeweils in einem Winkelbereich von 360°/Anzahl der Pole gedreht wird. Wie in Fig. 7 darge­ stellt, kann durch Überkreuzen der Stäbe relativ einfach eine elektrische Verbindung zwischen den Läuferteilen hergestellt werden. An der Kreuzungsstelle ist eine elektrische Isolation vorgesehen.

Stäbe, die zu den Magnetpolen im gleichen Winkel stehen, können hier parallel verschalten werden, wodurch sich die Anzahl der Kreuzungen verringert.

Bei einer größeren Anzahl von Stäben pro Pol ist die leitende Verbindung vorzugsweise scheibenförmig mit derselben Ausrichtung und in ähnlicher Form wie die ferromagnetischen Bleche der Läuferteile auszuführen. Die leitenden Scheiben, z. B. Kupferbleche, sind entsprechend gegeneinander elektrisch isoliert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine mögliche Ausführung einer Verbindung bei axial nebeneinanderliegenden Läuferteilen. Hier werden die Stäbe an der gewünschten Stelle mit den Blechen ver­ lötet. Die Isolation der Bleche gegenüber den Scheiben anderen Potentials kann durch Einhalten eines Abstandes, d. h. durch Luftisolation, erreicht werden.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Verbindungen bei hoher Stabzahl pro Pol und axial ausgerichteten Magnetfeldern.

Alles in allem gelingt es mit den elektrodynamischen Maschinen gemäß den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Bauform und den Bauraum zu reduzieren und durch die verein­ fachte Ausführung der Läufer den Aufwand für die elektrische Verbindung zur Drehfeldumkehr zwischen den Läuferteilen erheb­ lich zu senken, so daß die Fertigungskosten reduziert werden können.

Claims (6)

1. Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungen jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche auf der Maschinenachse angeordnet sind, und die Läufer elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen aufweisen, wel­ che gegensinnig rotierende Felder erzeugen, wobei beim Motorbetrieb der Maschine die Ständerwicklungen jeweils mit Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt sind und sich an Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies Drehmoment an den verbundenen Läufern einstellt; bei Generatorbetrieb der Maschine ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern oder der Maschinen­ achse angreift, welches im nicht fremderregten Teil der Ständerwicklung eine abgreifbare Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die von der Läuferdrehzahl, der Erregerfrequenz und der Polpaarzahl der Ständer- und der Erregerwicklung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer- und Ständerwicklungen ausgehend von der Maschinenachse radial übereinander oder koaxial derart ange­ ordnet sind, daß radial ausgerichtete Magnetfelder resultie­ ren.

2. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer Dreizylinder-Anordnung mit einer inneren zylindrischen Ständerwicklung und einer äußeren zylindrischen Ständerwicklung besteht, wobei zwischen diesen ein zylindri­ scher Läufer befindlich ist.

3. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere und äußere Läuferwicklung des Läufers gegen­ sinnig geschalten sind.

4. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stab- oder Käfigläufer die Stäbe an einem axia­ len Ende kurzgeschlossen und am gegenüberliegenden Ende elek­ trisch leitend so verbunden sind, daß ein inneres rotierendes Magnetfeld ein äußeres entgegengesetzt rotierendes Magnetfeld erzeugt.

5. Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungen jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche auf der Maschinenachse angeordnet sind, und die Läufer elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen aufweisen, wel­ che gegensinnig rotierende Felder erzeugen, wobei beim Motorbetrieb der Maschine die Ständerwicklungen jeweils mit Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt sind und sich in Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies Drehmoment an den verbundenen Läufern einstellt; bei Generatorbetrieb der Maschine ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern oder der Maschinen­ achse angreift, welches im nicht fremderregten Teil der Ständerwicklung eine abgreifbare Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die von der Läuferdrehzahl, der Erregerfrequenz und der Polpaarzahl der Ständer- und der Erregerwicklung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständer- und Läuferwicklungen auf der Maschinenachse axial benachbart angeordnet sind, wobei zwischen zwei Ständerwicklungen jeweils ein Läufer befindlich ist, und das gegensinnige Rotieren der Felder durch Verschalten der je­ weils inneren und äußeren Läuferwicklungen realisierbar ist, wobei bei mehreren Läufern diese auf einer gemeinsamen Maschinenachse angeordnet sind.

6. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stab- oder Käfigläufer die Stäbe an einem ra­ dialen Ende kurzgeschlossen und am gegenüberliegenden Ende so verschalten sind, daß ein rotierendes Magnetfeld auf einer Läuferseite ein gegensinniges Rotieren auf der anderen Läuferseite hervorruft.