DE2056516A1 - Anordnung von rotierenden Gleich nchtern zur burstenlosen Erregung elek frischer Maschinen - Google Patents

Description

Ve st inghou s e 9. No/. ^U1^ 7CT

Electric Corporation
Pittsburgh

Mein Zeichen: VPA 70/8475 JD/v/in

Anordnung von rotierenden Gleichrichtern zur bürstenlosen Erregung elektrischer Maschinen

PUr diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Ser.No. 875 351 vom 10. November 1969 beansprucht

Bei burstenlosen elektrischen Maschinen liegt bekanntlich die Wechselstromerregermaschine auf der selben Welle wie die Feldwicklung der Hauptmaschine. Sin mitrotierender Gleichrichtersatz befindet sich ebenfalls auf dieser Welle, um den in der Erregermaschine erzeugten Wechselstrom gleichzurichten, bevor er die Feldwicklung speist. So erhält man eine Wechselstrommaschine, bei der kein Kommutator und keine Schleifringe oder Bürsten erforderlieh sind, wie es bei den konventionellen Synchronmaschinen der Fall ist und vermeidet somit die mit ihrer Wartung verbundenen Schwierigkeiten.

Weiterhin ist es bekannt, Elemente einer derartigen rotierenden Gleichrichteranordnung, nämlich jeweils einen Gleichrichter und einen Kondensator und Widerstände, die ai einer Schutzschaltung gegen Überspannungen zusammengefaßt sind, mit einem Kühlkörper zu einer Baueinheit zusammenzufassen ("Siemens-Zeitschrift", 1962, Seiten 234/235). Diese Baueinheit wird mit Hilfe von radial gerichteten Bolzen isoliert an der inneren Mantelfläche des Radkranzes eines als Träger dienenden Gleichrichterrades angeordnet. Dies ergibt den Vorteil, daß der die Baueinheiten von außen umgebende Radkranz die während des Betriebes auftretenden Fliehkraftbeanspruchungen aufnimmt.

Die immer steigende Maschinenleiatung macht es jedoch erforderlich, eine immer größere Anzahl von Gleichrichtern an einem der-

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artigen Gleichrichterrad unterzubringen. Eine Vergrößerung des Durchmessers würde eine Erhöhung der Pliehkraftbeanspruchungen bedeuten, weiche bald die zulässigen Grenzen überschreiten würde. Aber auch die Ausdehnung der Baueinheiten in axialer Richtung soll möglichst gering sein. Je größer nämlich die axiale Länge eines Gleichrichterrades und somit auch der Maschinenwelle ist, desto größer werden die Torsionsbeanspruchungen der Welle während eines Kurzschlusses. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die ,Aufgabe zugrunde, die Baueinheiten einer Anordnung mit rotierenden Gleichrichtern so kompakt wie möglich auszubilden, damit an einem Gleichrichterrad möglichst viele Gleichrichter angeordnet werden können, ohne daß dadurch die Zugänglichkeit der einzelnen Elemente und die .Abfuhr der während des Betriebes auftretenden Verlustwärme leiden.

Bei einer Anordnung von rotierenden Gleichrichtern zur bürsten-losen Erregung elektrischer Maschinen, bei der die Gleichrichter zusammen mit den Elementen einer Schutzschaltung gegen Überspannungen, bestehend aus einem Kondensator und Widerständen, an einem Kühlkörper befestigt sind, der seinerseits isoliert über radial gerichtete Bolzen an der inneren Mantelfläche des Radkranzes eines Gleichrichterrades angeordnet ist, sind gemäß der k} Erfindung an jedem Kühlkörper in axialer Richtung nebeneinanderliegend zwei Gleichrichter befestigt, zwischen denen der Kondensator der Überspannungsschutzschaltung liegt, der auf einer seinem einen Anschluß bildenden netallischen Grundplatte befestigt ist, die mit dem Kühlkörper leitend verbunden ist und zwei Öffnungen aufweist, durch welche (¹Ie Gleichrichter ragen.

Werden zwei Gleichrichter an einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet, so muß dieser eine gewisse Mindestfläche aufweisen, um die entstehende Wärme wirkungsvoll abführen zu können. Dies bedeutet, daß zwischen den beiden Gleichrichtern ein bestimmter Abstand eingehalten werden muß. Bei der Anordnung gemäß der Er-

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findung ist nun der Kondensator der ijberspannungsschutzschaltung in diesem Raum zwischen den beiden Gleichrichtern angeordnet, ohne daß dadurch die Abführung der Verlustwärme von den Gleichrichtern leidet. Außerdem ist durch die ebenfalls sehr großflächige Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem einen Anschluß des Kondensators, gebildet aus der metallischen Grundplatte, noch weiterhin für eine wirkungsvolle Übertragung auch der im Kondensator entstehenden' Wärme auf den Kühlkörper gesorgt. Man erhält somit eine sehr kompakte Ausbildung des Kühlkörpers mit dem an ihm befestigten beiden Gleichrichtern und den Elementen der Überspannungsschutzschaltung, die sowohl in radialer als auch in axialer Richtung nur sehr geringe Abmessungen hat. Dadurch ist es aber möglich, an einem Gleichrichterrad von geringen axialen Abmessungen schon auf kleinen Durchmessern eine große Anzahl von Gleichrichtern unterzubringen.

Weiterhin ist auch die Zugänglichkeit der Baueinheiten und der "Gleichrichter sowie der Überspannungsschutzschaltung gut. Zunächst wird einmal die gesamte Baueinheit durch Lösen der radial gerichteten Befestigungsschrauben des Kühlkörpers vom Radkranz des Gleichrichterrades entfernt. An dieser Baueinheit sind dann leicht die einzelnen Elemente unabhängig voneinander zu überprüfen bzw. auszuwechseln.

Die gemäß der Erfindung vorgenommene Parallelschaltung des Kondensators zu den Dioden ergibt aber nicht nur mechanische Vorteile, sondern auch elektrische. Es ist nun möglich, durch Anordnung einer Sicherung zwischen dem Gleichrichterrad und einen Schaltbügel, der die elektrische Verbindung zwischen den dem Kühlkörper bzw. der Grundplatte abgewandten Seite der Gleichrichter und des Kondensators bildet, diese Sicherung in Reihe zum Kondensator zu legen. Dadurch wird auch jeder Kurzschluß im Kondensator von der Sicherung angezeigt, wodurch sich die Betriebssicherheit des

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Systems wesentlich erhöht. Diese Sicherung wird mit Vorteil an der äußeren, der Tragscheibe des Gleichrichterrades abgewandten Stirnseite des Radkranzes befestigt, um ebenfalls leicht zugänglich und auswechselbar zu sein.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Elemente der Überspannungsschutzschaltung an einem kompakten Block eingegossen werden. Dazu empfiehlt es sich,auf der metallischen Grundplatte sowohl den Rand als auch alle Öffnungen mit einer Wand zu versehen und den dadurch umfaßten, den Kondensator und evt. auch Widerstände enthaltenden Raum mit einem ausgehärteten Isolierstoff auszufüllen. Dazu kann ZvB. Epoxidharz verwendet werden, das flüssig eingegossen und dann ausgehärtet wird. Auf diese Weise erhalten die Elemente der Überspannungsechutzschaltung eine höhere mechanische Stabilität und die Schaltverbindungen zwischen ihnen sind in ihrer Lage unverändert festgelegt.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Pig. 1 bis 6 dargestellten AusfUhrungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau eines Gleichrichterrades mit den zu Baueinheiten zusammengefaßten Gleichrichtern und Überspannungsschutzschaltungenj

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine gemäß der Erfindung ausgebildete Baueinheit einer Anordnung von rotierenden Gleichrichtern.

Fig. 4 stellt diese Baueinheit teilweise entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 geschnitten dar.

Fig. 5 zeigt das elektrische Schaltbild der Baueinheit.

Fig. 6 zeigt, teilweise geschnitten, ein konstruktiv abgewandtes Ausführungsbeispiel.

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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine übliche konstruktive Ausführung des als Tragkonstruktion für die Baueinheiten 1 einer Anordnung von rotierenden Gleichrichtern zur bürstenlosen Erregung elektrischer Maschinen dienenden Gleichrichterrades 2. Dieses hat einen sich einseitig neben einer Tragscheibe 3 erstreckenden äußeren Radkranz 4 und einen Nabenkörper 5, der über die Isolierschicht 6 mit der Welle 7 der Maschine verbunden ist. Die Baueinheiten 1 sind, jeweils gleichmäßig entlang des Umfanges verteilt, auf der inneren Mantelfläche 8 des Radkranzes 4 angeordnet, so daß der Radkranz 4 die Baueinheiten 1 von außen umgibt und ihre Fliehkraftbeanspruchungen aufnehmen kann. Zwischen den Baueinheiten und der inneren Mantelfläche 8 des aus leitendem Material bestehenden Radkranzes 4 ist eine Isolierschicht 9 angeordnet.

Jede Baueinheit 1 besteht im wesentlichen aus einem mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper 10, an dem die Gleichrichter 11 und die untereinander zusammengefaßten Elemente der Überspannungsschutzschaltung 12 befestigt sind. An der von außen zugänglichen Stirnfläche 13 des Radkranzes 4 ist außerdem noch eine Sicherung 14 angeordnet, die auf der einen Seite mit dem einen elektrischen Anschluß der Baueinheit 1 und auf der anderen Seite mit dem Gleichrichterrad 2 verbunden ist. Reicht ein Gleichrichterrad 2, dessen Durchmesser wegen der höchstzulässigen Fliehkraftbeanspruchungen der Gleichrichter 11 einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, nicht zur Unterbringung der erforderlichen Anzahl von Gleichrichtern 11 aus, so können zwei Gleichrichter·^ räder 2 Rücken an Rücken nebeneinander angeordnet sein, damit die Bauelemente 1 jeweils leicht von außen zugänglich sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den konstruktiven Aufbau einer gemäß i
! der Erfindung ausgebildeten Baueinheit 1, wobei allerdings der \ verhältnismäßig große Kühlkörper 10 nicht in seiner gesamten } Größe dargestellt ist.

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Der Kühlkörper 10 bildet also das mechanische Tragelement für die Baueinheit 1. Da er in Umfangarichtung des Gleichrichterradea 2 nur eine möglichst geringe Ausdehnung haben soll, empfiehlt es sich, dem Kühlkörper 10 einen angenähert rechteckförmigen Grundriß zu geben, dessen größere Erstreckung in axialer Richtung des Gleichrichterrades liegt. An dem Kühlkörper 10 sind zwei Gleichrichter 11 (Halbleiterdioden) in wärme- und elektrisch leitendem Kontakt befestigt. Der Kühlkörper 10 bildet somit,den einen elektrischen Anschluß der Gleichrichter 11. Den anderen elektrischen Anschluß bilden Kabel 14. Über die beiden Gleichrichter 11 wird dann die aus den Elementen der Überspannungsschutzschaltung 12 gebildete Baueinheit, die mit entsprechenden Aussparungen 15 für die Gleichrichter 11 versehen ist, gestülpt und ebenfalls am Kühlkörper 10 befestigt.

Die Überspannungsschutzschaltung 12 ist auf einer metallischen Grundplatte 16 aufgebaut. Diese enthält zwei entsprechende öffnungen 17 für die Gleichrichter 11, an dönen Isolierrohre 18, z.B. aus Glasfaserstoffen, aufgesetzt sind, welche den für die Gleichrichter 11 erforderlichen Raum innerhalb der Überspannungsschutzschaltung 12 begrenzen. In der Mitte auf der Grundplatte liegt der Kondensator 19, welcher das hauptsächliche Elemente der Überspannungsschutzschaltung ist. Dieser Kondensator 19 liegt dadurch zwischen den beiden Gleichrichtern 11. Die Grundplatte 16 ist mit einer Seite des Kondensators 19 verbunden,' so daß sie einen Anschluß für den Kondensator 19 darstellt. Da die Grundplatte 16 in elektrisch leitendem Kontakt an den Kühlkörper 10 befestigt wird, ist also der Kondensator 19 parallel zu den Gleichrichtern 11 geschaltet.

Eine ebenfalls auf der Grundplatte 16 angeordnete Ummantelungswand 20 aus Isolierstoff umfaßt die Elemente der Überspannungs-

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schutzschaltung 12 und den zu ihrer Befestigung an dem Kühlkörper 10 dienenden Bolzen 21, der das Innere eines Isolierrohrs 22 und die Öffnung 23 in der Grundplatte 16 durchsetzt. Der gesamte Raum zwischen der Begrenzungswand 20 und den Isolierrohren 18 bzw. 22, in dem die Elemente der Überspannungsschutzschaltung liegen, ist dann mit einem geeigneten Isolierstoff ausgefüllt, z.B. Epoxidharz, wodurch die SchaItverbindungen festgelegt werden und die mechanische Stabilität der Überspannungsschutzschaltu::g vergrößert wird. Der so gebildete kompakte Block wird auch als Träger für den Schaltbügel 25 ausgenutzt. Dieser Schaltbügel 25 ist elektrisch mit dem einen Anschluß des Kondensators 19 verbunden. Mit seiner Hilfe werden auch der Kondensator 19 und die Gleichrichter 11 parallel geschaltet, wobei die als Anschlüsse der Gleichrichter 11 dienenden Kabel 14 zunächst durch eine Öffnung 26 im Schaltbugel 2 5 geführt und dann mit Hilfe einer Schraube 27 an diesem befestigt werden, so daß ein elektrisch leitender Kontakt entsteht.

Der Schaltbügel 25 ragt seitlich auf beiden Seiten über die von der Überschutzschaltung 12 gebildete Baueinheit hinaus. Zwischen seinem rechten Ende und der Grundplatte 16 ist ein Spannungsteilerwiderstand 28 geschaltet, der somit parallel zum Kondensator 19 liegt. Tas auf der anderen Seite überragende Ende des Schaltbügels 25 dient zur Befestigung der in Fig. 1 gezeigten Sicherung 14, die zwischen dem Schaltbugel 25 und dem Radkranz 4 des Gleichrichterrades 2 angeordnet ist.

Fig.5 zeigt schematisch die elektrische Schaltung des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 3 und 4 mit der Sicherung 14 und dem Radkranz 4. Das eine elektrische Ende des Schaltkreises wird von dem Kühlkörper 10 gebildet, an dem die metallische Grundplatte 16 der Überspannungsschaltung 12 und jeweils ein Anschluß der Gleichrichter 11 befestigt sind. Die anderen An-

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echliisse der Gleichrichter 11 werden über den Schaltbügel parallel geschaltet. Zwischen diesem Schaltbügel 25 und der Grundplatte 16 liegen jeweils der Spannungsteilungswiderstand 28 und der Kondensator 19, dem noch ein Widerstand 29 in Reihe geschaltet ist. (Dieser Widerstand ist in der von der Überspannungsschutzschaltung 12 gebildeten Baueinheit in vorteilhafterweise teilweise über die Oberfläche des Isolierstoffes hinausragend angeordnet, damit die in ihm entstehende Verlustwärme besser abgeführt werden kann. Er erstreckt sich parallel zum Schaltbügel 25.) In dem Schaltbild ist weiterhin gezeigt, daß die Sicherung 14 zwischen dem Schaltbügel 25 und dem Radkranz 4 des Gleichrichterrades 2 geschaltet ist. Somit liegt der Kondensator 19 in Reihe zu der Sicherung 14, so daß diese auch auf Schaden im Kondensator anspricht.

Fig. 6 zeigt ein weiteres, konstruktiv etwas abgewandeltes /iusführungsbeispiel der Erfindung, in dem das Entfernen der Baueinheiten 1 von dem Radkranz 4 des Gleichrichterrades 2 noch vereinfacht ist. Für übereinstimmende Teile mit den anderen Figuren sind jeweils die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. Die aus dem Kühlkörper 10, den Gleichrichtern 11 und der Überspannungsschutzschaltung 12 gebildete Baueinheit 1 " ist über die Isolierschicht 9 an der inneren Mantelfläche 8 des Radkranzes 4 mit Hilfe eines einzigen radial ausgerichteten Bolzens 30 befestigt. Me Mutter 31 des Bolzens 30 ist von der äußeren Mantelfläche 32 des Radkranzes 4 her zugänglich.Wird dieser Bolzen 30 gelöst, so kann die Baueinheit 1 insgesamt von dem Gleichrichterrad 2 entfernt werden. Dabei empfiehlt es sich, den Bolzen 30 so auszubilden, daß er für die mögliche Entfernung der Baueinheit 1 nur gelockert zu werden braucht und noch unverlierbar im Radkranz 4 festsitzt.

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Die zwischen den Schaltbügeln 25 und dem Radkranz 4 angeordnete Sicherung 14 ist weiterhin nur über einen Bolzen 33 an der von außen frei zugänglichen Stirnfläche 34 des Radkranzes 4 befestigt. Wird dieser Bolzen 33 gelöst, so kann die Sicherung 14 zusammen mit der Baueinheit 1 abgenommen werden. Auch hier kann das Anschlußstück zu der Sicherung 14 so ausgebildet sein, daß der Bolzen 33 nur gelockert, aber nicht herausgeschraubt zu werden braucht.

Eine derartige Ausbildung der Befestigung der Baueinheit 1 und der Sicherung 14 an dem Gleichrichterrad 2 ist vorteilhaft, wenn die Anordnung zur Erregung von elektrischen Maschinen verwendet werden soll, die mit Wasserstoff gekühlt sind. Bei diesen liegt auch das Gleichrichterrad innerhalb des vorhandenen Wasserstoffdruckgefäßes. Trotzdem ist eine nur kleine Öffnung in diesem Wasserstoffdruckgefäß ausreichend, um einen Abbau der zu wartenden Baueinheiten 1 zu ermöglichen.Da die Befestigungsbolzen 30 bzw. 33 dazu nur gelockert zu werden brauchen und im Gleichrichterrad 2 verbleiben, wird auch verhindert, daß die Bolzen in die Maschine fallen können.

Um den Austausch der Baueinheiten 1 noch weiterhin zu erleichtern, kann man neben dem Kühlkörper 10 auf der der Tragscheibe 3 zugewandten Seite des Gleichrichterrades ein Schaltzwischenstück 35 anordnen, das über einen Bolzen 36 isoliert am Radkranz 4 befestigt ist. Dieses Schaltzwischenstück 35 ist über die Metallplatte 37 mit dem Kühlkörper 10 metallisch leitend verbunden. An dem Schaltstück 35 sind dann die für die elektrische Verbindung der Baueinheiten 1 mit der nicht dargestellten Erregermaschine erforderlichen Schaltverbindungen befestigt, die mit samt dem Zwischenstück 35 am Radkranz 4 verbleiben, v/enn die Baueinheiten 1 ausgewechselt werden. Zwischen diesem Schaltzwischenstück 35 und dem Gleichrichterrad 2 kann außerdem noch ein Reihenwideretand 38 angeordnet sein.

8 Ansprüche

6 Figuren 109821/1473 -10-

Claims (8)

1. VPA 70/8475 - 10 Patentansprüche

   Π.1 Anordnung von rotierenden Gleichrichtern zur bürstenlosen Erregung elektrischer Maschinen, bei welcher die Gleichrichter zusammen mit Elementen einer Schutzschaltung gegen Überspannungen, bestehend aus einem Kondensator und Widerständen, an einem Kühlkörper befestigt sind, der seinerseits isoliert über radial gerichtete Bolzen an der inneren Mantelfläche des Radkranzes eines Gleichrichterrades angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Kühlkörper (1O) in axialer Richtung nebeneinanderliegend zwei Gleichrichter (11) befestigt sind, zwischen denen der Kondensator (19) der Überspannungsschutzschaltung (12) liegt, der auf Giner seinen einen Anschluß bildenden metallischen Grundplatte (16 befestigt ist, die mit dem Kühlkörper (10) leitend verbunden ist und zwei Öffnungen (17) aufweist, durch welche die Gleichrichter (11) ragen.
2. 2.. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Öffnungen (17,23) und dem Rand der metallischen Grundplatte (16) Wände (20,22,18) angeordnet sind und daß der von ihnen umfaßte, den Kondensator (19) enthaltende Raum von einem ausgehärteten Isolierstoff (24) ausgefüllt ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kühlkörper (1O) bzw. der Grundplatte (16) abgewandte Seite der Gleichrichter (11) und des Kondensators (19) über einen Schaltbügel (25) elektrisch verbunden sind, der in axialer Richtung über die metallische Grundplatte (16) hinausragt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schaltbügel (25) und der Grundplatte (16) ein Widerstand (28) angeordnet ist.

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5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
   zwischen dem Gleichrichterrad (2) und dem Schaltbügel (25)
   eine Sicherung (14) angeordnet ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung (14) an der äußeren, der Tragscheibe (3) abgewandten Stirnseite (34) des Radkranzes (4) des Gleichrichterrades (2) befestigt ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Kühlkörpers (10) am Radkranz (4) über Bolzen (30) erfolgt, die von der äußeren Hantelfläche (32) des Radkranzes her lösbar sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen (30,33) zur Befestigung des Kühlkörpers (1O) und der
   Sicherung (.1.4) unverlierbar im Radkranz (4) angeordnet sind.

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