DE2225979A1

DE2225979A1 - ELECTRIC SYNCHRONOUS MACHINE HOMOPOLAR DESIGN

Info

Publication number: DE2225979A1
Application number: DE19722225979
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Rer Nat Huebner; Juergen Dipl Ing Kuhlow; Manfred Dipl Ing D Rentmeister; Guenther Rother
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-05-24
Filing date: 1972-05-24
Publication date: 1973-12-13
Also published as: JPS4950410A; CH548131A; FR2185884A1

Description

Elektrische Synchronmaschine homopolarer BauartElectric synchronous machine of homopolar design

Elektrische Synchronmaschinen homopolarer Bauart werden üblicherweise mit einem wicklungsfreien, gezahnten Läufer ausgebildet und allein der Ständer trägt die Arbeits- und Erregerwicklungen. Dadurch lassen sich diese Maschinen mit sehr hoher Drehzahl betreiben, wodurch die Ausnutzung der Maschine, nämlich die auf ihr Volumen bezogene Leistung, sehr hoch ist. Ein derartiger gezahnter Läufer hat allerdings den Nachteil, daß er während des Betriebes aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit starke, störende Geräusche erzeugt. Zur Verbesserung des akustischen Verhaltens eines derartigen wicklungsfreien Läufers ist es daher bereits bekannt, die Pollücken des Läufers durch Füllstücke aus Isolationsmaterial, also unmagnetischem Material, auszufüllen, um eine geschlossene, zylindrische Oberfläche zu erhalten (siehe "Conti Elektro-Berichte, 1959, Seite 301).Electrical synchronous machines of homopolar design are usually with a winding-free, toothed rotor trained and only the stator carries the work and excitation windings. This allows these machines with operate at a very high speed, which means that the machine is fully utilized, namely the power related to its volume, is very high. Such a toothed rotor, however, has the disadvantage that it is due to during operation the high peripheral speed generates strong, annoying noises. To improve the acoustic behavior of a Such a winding-free rotor, it is therefore already known to fill the pole gaps of the rotor with filler pieces made of insulation material, i.e. non-magnetic material, to be filled in to obtain a closed, cylindrical surface (see "Conti Elektro-reports, 1959, page 301).

Nachdem bisher derartige Synchronmaschinen homopolarer Bauart nur als Erregermaschinen bzw. als Mittelfrequenzgeneratoren eingesetzt wurden, hat sich neuerdings ein besonderes Anwendungsgebiet derartiger Synchronmaschinen ergeben, nämlich ihre Verwendung in Verbindung mit einem aus Thyristoren bestehenden Stromrichter. Dabei wird insbesondere der bekannte Vorteil des kommutatorlosen Betriebes der Maschine bei hohen Drehzahlen ausgenutzt. Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Stromrichtermascbine ist aber nun nicht mehr die Ausnutzung der Maschine allein, sondern auch der dazu gehörige Stromrichter muß gut ausgenutzt sein. Für die Auslegung des Stromrichters ist die Komrautierungsreaktanz maßgebend. Diese ist aber bei der beschriebenen bekannten elek-After previously such synchronous machines of homopolar design only as excitation machines or as medium-frequency generators were used, a special field of application of such synchronous machines has recently emerged, namely their use in conjunction with a power converter consisting of thyristors. In particular, the well-known Take advantage of the commutator-free operation of the machine at high speeds. Essential for profitability Such a converter machine is no longer just using the machine, but also using it Corresponding power converters must be well used. The commutation reactance is decisive for the design of the converter. This is, however, in the case of the known elec-

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trischen Synchronmaschine homopolarer Bauart mit einem ■wicklungsfreien, gezahnten Läufer verhältnismäßig groß. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache konstruktive Änderung der bekannten Synchronmaschine die Kommutierungsreaktanz zu verringern.tric synchronous machine of homopolar design with a ■ winding-free, toothed rotor is relatively large. The present The invention is therefore based on the object by a simple structural change to the known synchronous machine reduce the commutation reactance.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer elektrischen Synchronmaschine homopolarer Bauart mit· einem wicklungsfreien, gezahnten Läufer, dem durch Hinzufügung von unmagnetischem Material eine geschlossene, zylindrische Oberfläche gegeben ist. Gemäß der Erfindung ist bei Verwendung der Maschine in Verbindung mit einem aus Thyristoren bestehendem Stromrichter die Läuferoberfläche aus einem auf die Läuferzähne aufgeschrumpften, geschlossenen, zylindrischen Mantel gebildet, der augfeinem elektrisch gut leitendem Material großer mechanischer Festigkeit besteht. Die sich in diesem zylindrischen Mantel aus einem unmagnetischen Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bildenden Wirbelströme beeinflussen bei dem Stromübergang im Stromrichter von einen Thyristor auf den anderen den vorliegenden Kommutierungskreis im Sinne einer starken Dämpfung, so daß die Kommutierungsreaktanz verringert wird. Daher kann der Stromrichter gut ausgenutzt und entsprechend knapp dimensioniert werden.To achieve this object, the invention is based on an electrical synchronous machine of homopolar design with a winding-free, toothed rotor, which by adding non-magnetic material a closed, cylindrical Surface is given. According to the invention, when the machine is used in conjunction with one of thyristors existing converter, the rotor surface consists of a closed, cylindrical one that is shrunk onto the rotor teeth Sheath formed, which consists of a fine electrically conductive material of great mechanical strength. Which are in this cylindrical shell made of a non-magnetic material with good electrical conductivity forming eddy currents affect the existing commutation circuit when the current is transferred in the converter from one thyristor to the other in the sense of strong damping, so that the commutation reactance is reduced. Therefore, the converter can be used well and be dimensioned accordingly tight.

Ferner hat der zylindrische Mantel nur ein verhältnismäßig geringes Gewicht im Gegensatz zu Füllstücken, welche die gesamte Zahnlücke ausfüllen. Dadurch entstehen geringere Fliehkraftbeanspruchungen, die außerdem von einem geschlossenen Zylinder leichter aufgenommen werden. Durch diese konstruktive Änderung der Maschine wird also ihr Vorteil, bei hohen Drehzahlen geräuscharm betrieben werden zu können, nicht beeinträchtigt. Als Material für den zylindrischen Mantel empfehlen sich Kupferlegierungen, wie z.B. Beryllium-Kupferlegierungen, oder Aluminiumlegierungen, wie z.B. Ti tan-Aluminiumlegierungen.Furthermore, the cylindrical shell has only a relatively low weight in contrast to filler pieces, which the entire Fill in the tooth gap. This results in lower centrifugal forces, which are also more easily picked up by a closed cylinder. Through this constructive Changing the machine will therefore not affect its advantage of being able to operate with low noise at high speeds. Copper alloys such as beryllium copper alloys are recommended as the material for the cylindrical jacket, or aluminum alloys such as titanium-aluminum alloys.

Es ist zwar aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 962 987 bereits bekannt, bei einer normalen, als SchenkelpolmaschineIt is from the German utility model 1 962 987 already known, with a normal, as salient pole machine

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ausgebildeten Synchronmaschine die übliche Dämpferwicklung . als geschlossenen Zylindermantel auszuführen,.der den Läufer der MaschinenHmgibt. Dadurch sollte aber nur eine bessere Kühlwirkung der Dämpferwicklung erzielt werden, ohne daß eine Änderung des elektrischen Verhaltens der Maschine auftrat. trained synchronous machine the usual damper winding. designed as a closed cylinder jacket, .the runner of the machines. But this should only be a better one Cooling effect of the damper winding can be achieved without a change in the electrical behavior of the machine occurred.

Da eine gemäß der Erfindung, ausgebildete Maschine sehr geräuscharm betrieben werden kann und Vegen ihrer guten Ausnutzung bei großer Leistungsabgabe nur einen geringen Raumbedarf hat, eignet sie sich besonders gut für die Verwendung als drehzahlregelbarer, thyristorgespeister, kollektorloser Stromrichgermotor für elektrische Triebfahrzeuge, z.B. elektrische Lokomotiven oder Triebwagen. Es ist aber auch ein Einsatz als Generator möglich, weil dann mit geringem Auf-,wand gute cos.f-Werte des erzeugten Stromes.,erzielt werden.Since a machine designed according to the invention is very quiet can be operated and their good utilization has only a small space requirement with high power output, it is particularly suitable for use As a speed-adjustable, thyristor-fed, brushless converter motor for electric traction vehicles, e.g. electric Locomotives or railcars. However, it can also be used as a generator, because then with little effort good cos.f values of the generated current., can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 und jeweils schematisch .im Schnitt gezeigt dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 2 und Fig. 2 zeigt einen Radialschnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1.An embodiment of the invention is shown in Fig. 1 and each shown schematically in section. Fig. 1 shows a longitudinal section along the section line I-I in FIGS. 2 and 2 show a radial section along the section line II-II in FIG. 1.

Der Läufer 1 einer Synchronmaschine homopolarer Bauart, die als hochtouriger, thyristorgespeister Stromrichtermotor für Triebfahrzeuge eingesetzt wird, besteht aus einem massiven Eisenkörper mit Lauferzahnen 2 unddazwischenliegenden Zahnlücken 3. Wegen der nicht dargestellten Aufteilung des Ständers der Maschine in zwei Blechpakete, zwischen denen mittig eine Ringerregerspule angeordnet ist, sind auch am Läufer 1 die Zähne 2 und Zahnlücken 3 jeweils nur in dem unter dem Ständerblechpaket liegenden Teil ausgearbeitet_f so daß in der Mitte im Bereich der Erregerspule ein Absatz verbleibt. Außerdem sind in den beiden durch den Absatz 4 geteilten Bereichen des Läufers 1 die Zähne 2 und Zahnlücken 3 jeweils gegeneinander versetzt.The rotor 1 of a synchronous machine of homopolar design, which is used as a high-speed, thyristor-fed converter motor for traction vehicles, consists of a solid iron body with running teeth 2 and tooth gaps 3 between them is, the teeth 2 and tooth spaces 3 are each established only in the region lying below the stator core to the rotor part 1 _f so that a shoulder is left in the middle in the area of the excitation coil. In addition, in the two areas of the rotor 1 divided by paragraph 4, the teeth 2 and tooth gaps 3 are each offset from one another.

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Der gesamte Läufer 1 ist nun von einem zylindrischen Mantel 5 aus einer unmagnetischen, elektrisch gut leitenden Kupferbzw. Aluminiumlegierung großer mechanischer Festigkeit umgeben, wobei dieser Mantel· 5 auf die Oberfläche der Zähne aufgeschrumpft ist. Dieser Mantel 5 hat zunächst einmal den Vorteil, daß er die Entstehung von sehr intensiven Geräuschen während des sehr hochtourigen Betriebes der Maschine verhindert. Außerdem wird durch die in ihn entstehenden Wirbelströme die Kommutierungsreaktanz für den zusammen mit der Maschine arbeitenden Stromrichter herabgesetzt, so daß dieser sehr günstig ausgelegt werden kann. Auch die Oberflächenreibungsverluste sind durch den Mantel 5 verringert, wobei noch zusätzlich die Stirnseiten des Läufers durch Verschließen der Zahnlücken mit Wänden 6 eine glatte Oberfläche erhalten. Man erhält auf diese Weise einen geschlossenen trommeiförmigen Läuferkörper, der die günstigste Läuferform für einen geräuscharmen und reibungsverlustfreie_vn Betrieb der Maschine bei hohen Drehzahlen darstellt.The entire rotor 1 is now covered by a cylindrical jacket 5 made of a non-magnetic, electrically conductive copper or copper. Aluminum alloy of high mechanical strength surrounded, this jacket x 5 being shrunk onto the surface of the teeth. This jacket 5 first of all has the advantage that it prevents the formation of very intense noises during the very high-speed operation of the machine. In addition, the eddy currents generated in it reduce the commutation reactance for the converter working together with the machine, so that it can be designed very favorably. The surface friction losses are also reduced by the jacket 5, with the end faces of the rotor additionally being given a smooth surface by closing the tooth gaps with walls 6. Obtained in this way a closed drum-shaped rotor body, which is the cheapest runner mold for a low noise and friction lossless _v n operation of the machine at high speeds.

5 Ansprüche
2 Figuren5 claims
2 figures

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Claims

M J Electric synchronous machine of homopolar design with a winding-free, toothed rotor, which by adding non-magnetic material has a closed, cylindrical surface is given, characterized in that when the machine is used in conjunction with an existing thyristor Power converter on the rotor surface from one the rotor teeth (2) shrunk-on, 'closed, cylindrical jacket (5) is formed, which consists of an electrically good conductive material of great mechanical strength.

2. Electric synchronous machine of homopolar design Claim 1, characterized in that the cylindrical jacket (5) consists of a copper alloy.

3. Electric synchronous machine of homopolar design according to. Claim 1, characterized in that the cylindrical jacket (5) consists of an aluminum alloy.

4. Electrical synchronous machine of homopolar design according to claim 1, characterized in that the end faces of the rotor (1) obtained a smooth surface by closing the tooth gaps (3) with walls (6).

5. Electrical synchronous machine homopolar design according to claim 1, characterized in that the machine as speed-adjustable, thyristor-fed, brushless converter motor is used for traction vehicles.

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