DE2237099B2

DE2237099B2 - Elektrisches Getriebe

Info

Publication number: DE2237099B2
Application number: DE19722237099
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1972-07-25
Publication date: 1980-07-03
Also published as: IT974802B; NL7209937A; DE2237099A1; FR2147303B1; ES405255A1; FR2147303A1; GB1395948A; SE396678B; DE2237099C3

Description

v,

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Getriebe entsprechend der Gattung des Patentanspruchs I. Die Erfindung findet insbesondere bei Schiffsantrieben Verwendung, bei welchen die Aus- vi gangsleistung einer Antriebsmaschine, insbesondere eines Dieselmotores, einer Belastung (Schiffsschraube) zugeführt werden muß. Die Erfindung kann in gleicher Weise auch bei Antriebsmaschinen in Form von Dampfmaschinen, Wasserrädern, Gasturbinen und dgl. v< Verwendung finden.

Bei vorbekannten Anordnungen, bei welchen Ausgangsleistungen von Antriebsmaschinen auf Belastungen zu übertragen sind, werden für die Drehzahlerhöhung oder -verminderung Getriebe verwendet Ein Getriebe kann jedoch weder das Beschleunigungs- noch das Verzögerungsverhältnis steuern, noch kann es die Drehrichtung; einer Belastung ändern.

Beim gattiingsgleichen Gegenstand gemäß DE-PS 90 835 soll die Übertragung der Ausgangsleistung μ einer Antriebsmaschine auf eine Belastung ermöglicht werden, wobei die Drehrichtung der Belastung umgekehrt werden kann, wohingegen di Drehrichtung der Antriebsmaschine konstant bleibt. Bei dieser bekannten Sauart sind jedoch erhebliche Probleme im Zusammenhang mit der Erzielung eines Synchronlaufes der elektrischen Maschinenanordnung mit der elektromagnetischen Kupplung und der Synchronmaschine zu erwarten. Wenn der belastungsseitige Rotor einer elektromagnetischen Kupplung mechanisch mit dem Rotor einer Synchronmaschine verbunden ist, 4er die Belastung antreibt, und der antriebsseitige Rotor der elektromagnetischen Kupplung von der Antriebsmaschine angetrieben wird, bestehen die nachfolgend beschriebenen Anlaufbedingungen tür die Synchronmaschine. Wenn die Antriebsmaschine den antriebsseitigen Rotor der elektromagnetischen Kupplung antreibt, steht der belastungsseitige Rotor noch in seiner Ruhestellung, solange die Feldwicklung der elektromagnetischen Kupplung stromlos oder die Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung elektrisch nicht mit der Ankerwicklung der Synchronmaschine verbunden ist Wenn die Feldwicklung der elektromagnetischen Kupplung stromdurchflossen und die Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung elektrisch mit der Ankerwicklung der Synchronmaschine verbunden ist kann der Rotor der Synchronmaschine mit Hilfe einer Anlaufwicklung (Kurzschlußwicklung) anlaufen und zusammen mit dem belastungsseitigen Rotor der elektromagnetischen Kupplung rotieren. Wenn die Phasenfolge der verbindenden elektrischen Leitungen durch einen Phasenwechselschalter vertauscht werden kann, kann die Drehrichtung des belastungsseitigen Rotors entgegengesetzt zu der des antriebsseitigen Rotors sein. Wenn daher die Belastung vom belastungsseitigen Rotor der elektromagnetischen Kupplung angetrieben wird und der Rotor ler Synchronmaschine mit einer nahe der Synchrondrehzahl liegenden Drehzahl umläuft, welche durch die Anzahl der Pole der Synchronmaschine und der Pole der elektromagnetischen Kupplung gegeben ist kann die Drehrichtung des belastungsseitigen Rotors enigeger^esetzt zur Drehrichtung des antriebsseitigen Rotors sein. Es ist jedoch äußerst schwierig, den im asynchronen Zustand umlaufenden Rotor der Synchronmaschine mit dem antriebsseitigen Rotor der elektromagnetischen Kupplung in den jeweiligen synchronen Zustand zu bringen, insbesondere wenn die Drehrichtung des belastungsseitigen Rotors entgegengesetzt zu der des antriebsseitigen Rotors der elektromagnetischen Kupplung ist.

In vorbekannten elektrischen Getrieben dieser Art treibt eine elektrische Maschine eine Belastung, wie z. B. eine Schiffsschraube, an, und es ist ein von einer Antriebsmaschine angetriebener Generator angeordnet, wie es beispielsweise beim Gegenstand der GB-PS 5 94 2J8 der Fall ist Hierbei kann die Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine der Anordnung entsprechend der DE-PS 8 90 835 erhalten werden und vergleichsweise kleiner sein als beim Gegenstand der GB-PS 5 94 238.

Es ist jedoch schwierig, den Synchronmotor in den synchronen Zustand zu bringen, insbesondere dann, wenn die Drehrichtung des die Schiffsschraube antreibenden Motors entgegengesetzt zur normalen Drehrichtung ist. Das ist bedingt durch das große Drehmoment, das für die Synchronisierung im Falle der entgegegengesetzten Drehrichtung erforderlich ist, wie es beim Schiffsschraubenanlricb gemäß der GB-PS 5 94 238 der Fall ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, es bei einem elektrischen Getriebe der in der Gattung des Patentanspruches I genannten Art zu ermöglichen,

einen Rotor, der eine Belastung, & B, eine Schiffsschraube, in einer zur normalen Betriebsdrehrichtung entgegengesetzten Richtung antreibt und der asynchron umläuft, leicht in einen synchronen Zustand mit einem Rotor zu bringen, der von der Antriebsmaschine angetrieben wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erzielt Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausfuhrungsform eines elektrischen Getriebes in einer vereinfachten SchnittdarsteDung und

Fig.2 eine prinzipartige Darstellung der Ausführungsform nach F i g. 1.

Das elektrische Getriebe gemäß F i g. 1 besteht aus der Kombination einer Synchronmaschine S mit einem Stator 21, einem Rotor 34, einer Feldwicklung 22 mit einer nicht dargestellten Anlaufwicklung und einer Ankerwicklung 23, sowie einer elektromagnetischen Kupplung 3 mit zwei Rotoren 4,5, die relativ zueinander umlaufen und von denen der Rotor 5 mit einer Ankerwicklung 25 in einem Raum zwischen dem Stator

21 der Synchronmaschine 8 und dem antriebsseitigen Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung umläuft und der Rotor 4 mit einer Feldwicklung 24 versehen ist Der Rotor 5/34 ist somit gemeinsamer Bestandteil sowohl der elektromagnetischen Kupplung 3 als auch der Synchronmaschine 8. Es besteht eine elektrische Verbindung zwischen der Ankerwicklung 25, der elektromagnetischen Kupplung 3 und der Ankerwicklung 23 der Synchronmaschine 8. Der Rotor 5 der elektromagnetischen Kupplung 3, der mit dem Rotor 34 der Synchronmaschine 8 mechanisch verbunden ist und mittels Lagern 17,18 auf den Wellen 19 bzw. 20 gelagert ist, treibt eine Belastung 2 an. Der Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung wird durch die Antriebsmaschine 1 angetrieben.

Entsprechend Fig.2, in der die elektromagnetische Kupplung 3 und die Synchronmaschine 8 räumlich getrennt dargestellt sind, ist die Erregerwicklung 24 gemäß Fig. 1 am Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung 3 mit Schleifringen 6 versehen, die über Leitungen 32 durch eine Schaltvorrichtung 10 mit einer nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden werden kann. Die Ankerwicklung 25 am belastungsseitigen Rotor 5 ist mit Schleifringen 7 versehen. Über Leitungen 31,35, in die ein Phasenwechselschalter 9 eingeschaltet ist, besteht eine elektrische Verbindung zwischen der Ankerwicklung 25 der Kupplung 3 und der Ankerwicklung 23 der Synchronmaschine 8. Die Erregerwicklung

22 der Synchronmaschine 8 ist mit den Leitungen 33 durch die Schaltvorrichtung 26 an eine Gleichstromquelle anschaltbar, die auch ein Gleichrichter sein kann.

Gemäß Fig. 1 treibt der Retor 5 die Belastung 2 an, wohingegen der Rotor 4 von der Antriebsmaschine 1 angetrieben wird. Beispiele für die Belastung 2 sind eine Schiffsschraube, ein Fahrzeugrad, ein Gebläse, eine Pumpe usw. Beispiele für die Antriebsmaschine 1 sin<-| ein Dieselmotor, eine Dampfturbine, ein Wasserrad, ein Elektromotor, eine Gasturbine usw. Die Drehrichtung des Rotors 34 der Synchronmaschine 8 kann gleich oder durch Vertauschen zweie ,· Phasen mit dem Phasenwechselschalter 9 entgegengesetzt zur Drehrichtung des antriebsseitigen Rotors 4 der elektromagnetischen Kupplung 3 sein.

Wenn die Drehzahl der Rotoren 4,5 der elektromagnetischen Kupplung 3 in bzw, ns sind und ru größer ns s ist, ergibt sich

wobei A) die Drehzahl des Rotors 4 in Bezug auf den

to Rotor5 ist

Wenn die Drehrichtung des Rotors 5 gleich der des Rotors 4 ist, ist das Vorzeichen m in der Gleichung 1 negativ. Wenn die Drehrichtung des Rotors 5 entgegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors 4 verläuft, ist das Vorzeichen von ns in der Gleichung 1 positiv. Unabhängig davon, ob die Drehrichtung des Rotors 5 gleich oder entgegengesetzt zu der des Rotors 4 ist, wirkt die elektromagnetische Kupplung 3 auch als Generator.

Wenn die elektromagnetische Kupp'ong 3 prPolpaare und die Synchronmaschine 8 /%-Poipaare hat und die Frequenz des in dem Schaltkreis zwischen der Synchronmaschine 8 und der elektromagnetischen Kupplung 3 fließenden Wechselstroms mit /"bezeichnet ist so ergeben sich folgende Gleichungen:

n₅ = 60 · f/pa (3)

und somit gilt

no/"5 = PslPi (4)

anhand der Gleichungen (1) und (4) ergibt sich

/I4 i M₅ = /I₅ ' PfJPi

und somit

«5 (5)

Wenn die Ankerwicklung 23 der Synchronmaschine 8 eine polumschaltbar Wicklung ist und in der Verbin-•r, dung zwischen der Ankerwicklung 25 der elektromagnetischen Kupplung 3 und der polumschaltbaren Wicklung 23 der Synchronmaschine 8 ein Phasenwechselschalter 9 angeordnet ist, kann, wenn p»>ps ist, die Drehrichtung des Rotors 34 der Synchronmaschine 8 Ή) zur Drehrichtung der Antriebsmaschine umgekehrt werden.

Eine ähnliche Wirkung kann dann erzielt werden, wenn die Ankerwicklung 25 der elektromagnetischen Kupplung 3 eine polumschaltbar Wicklung ist und die γ, elektrische Verbindung zwischen der polumschaltba.'en Wicklung 25 der elektromagnetischen Kupp/ung und der Ankerwicklung 23 der Synchronmaschine 8 über den Phasenwechselschalter 9 hergestellt ist.

Das dargestellte u id beschriebene elektrische Getriebo be kann ähnlich einem mechanischen Untersetzungsgetriebe betrieben werden. Die Drehzahl der umlaufenden Welle 19 wird auf die Drehzahl der Abtrieb? welle 20 der elektromagnetischen Kupplung 3 verringert.

Eine Polumschaltung ist dann wichtig, wenn die

(,, Drehrichtung des Ro-ors 34 der Synchronmaschine 8 zur Drehrichtung des Rotors 4 der elektromagnetischen Kupplung 3 umgekehrt werden soll. Wenn sich z. B. die Drehzahl des Rotors 4 der elektromagnetischen

Kupplung 3 auf 400 U/min beläuft und die Anzahl der Pole der elektromagnetischen Kupplung 3 und der Synchronmaschine 8 vier bzw. acht sind, so beträgt die Drehzahl des Rotors 5 der elektromagnetischen Kupplung 3 und damit der Belastung 2 gleich 133,2 U/min aufgrund der Gleichung 5:

- (ΐ⁺ O

wenn die Drehrichtung der Belastung 2 gleich derjenigen der Antriebsmaschine 1 ist.

Bei einer Polzahl der elektromagnetischen Kupplung und der Synchronmaschine 8 von vier bzw. sechzehn oder zwei bzw. acht beträgt die Drehzahl des Rotors 5 oder der Belastung 2 ebenfalls 133,2 U/min aufgrund der Gleichung 5:

wenn die Drehrichtung der Belastung 2 entgegengesetzt zu derjenigen der Antriebsmaschine 1 ist. Somit können die Drehzahlen der Belastung 2 mittels Anwendung der Polumschaltung entweder der Synchronmaschine 8 oder der elektromagnetischen Kupplung 3 gleich sein, wenn die Drehrichtung der Belastung 2 entgegengesetzt oder gleich zu derjenigen der Antriebsmaschine 1 ist.

Sobald die Antriebsmaschine 1 den antriebsseitigen Rotor 4 mit der Drehzahl 400 U/min antreibt, die Feldwicklung 24 erregt wird und weiterhin die Ankerwicklung 25 elektrisch mit der Ankerwicklung 23 in Verbindung gebracht ist, beginnt der Motor 34/5 durch das mit der Anlaufwicklung in der Synchronmaschine 8 und das in der elektromagnetischen Kupplung 3 erzeugte Moment anzulaufen. Die Drehzahl der Belastung 2 nimmt allmählich zu und erreicht einen der Synchrondreh/.ahl benachbarten Wert, z.B. 130,0 U/ ■> min. Es ist außerordentlich schwierig, den Rotor 34 in die synchrone Drehzahl von 1333 U/min dann zu überführen, wenn die Synchronmaschine 8 erhebliche Werte der Belastung 2 aufzubringen hat, ζ B. wenn die Leistungscharakteristik der Belastung 2 eine dritte ίο Potenz, eine zweite Potenz od.dgl. ist. In einem derartigen Fall ergibt sich, daß dann, wenn die Erregung der Feldwicklung 22 über die Schaltvorrichtung 26 eingeschaltet wird, der Rotor 34 nicht in einen synchronen Zustand überführt werden kann,
ι > Wenn jedoch über die Leitungen 33 die Erregung der Feldwicklung 22 der Synchronmaschine 8 mittels der Schaltvorrichtung 26 unter gleichzeitiger Verringerung der Drehzahl der Antriebsmaschine i über die Drehzahlsteuervorrichtung 11 mittels des Übertrage gungsgliedes 12 eingeschaltet wird, kann der Rotor 34 leicht in den synchronen Zustand überführt werden, wenn die Drehrichtung des Rotors 34 entgegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors 4 ist.

Dieser gleichzeitige Betrieb kann manuell durch eine r> mechanische oder elektrische Verriegelungsvorrichtung erfolgen. Hierbei kann man von der Annahme ausgehen, daß da5. Schließen der Schaltvorrichtung 26 mit dem Betätigen der Drehzahlsteuervorrichtung 11 zur beginnenden Drehzahlverringerung der Antriebsmaschine 1 so als gleichzeitig anzusehen ist, wet.n die Betätigung der Schaltvorrichtung 26 und der Drehzahlsteuervorrichtung 11 auch innerhalb kurzer Zeit erfolgt, z.B. innerhalb von 3 Sekunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisches Getriebe, bestehend aus einer Synchronmaschine als Antriebsmaschine für einen Verbraucher mit einer Anlaufwicklung im Erregerteil, einer elektromagnetischen Kupplung mit zwei Rotoren, von denen der eine mit einer Ankerwicklung und der andere mit einer gleichstrom-erregten Feldwicklung versehen ist, wobei der eine der beiden Rotoren m-t dem Rotor der Synchronmaschine und der andere Rotor mit einer durch eine Drehzahlsteuervorrichtung gesteuerten Antriebsmaschine mechanisch verbunden ist, mit einer elektrischen Verbindung zwischen der. Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung und der Ankerwicklung der Synchronmaschine, in die ein Phasenwechselschalter zur Umkehr der Drehrichtung des Rotors der Synchronmaschine eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei entgegengesetzten Drehrichtungen der Rotoren (4,5) zur Synchronisierung die Drehzahlsteuervorrichtung (II) der Antriebsmaschine (1) mit der den Erregerstrom zu der Feldspule (22) der Synchronmaschine (8) zuführenden Schaltvorrichtung (26) so gekoppelt ist, daß beim Einschalten des Erregerstromes eine Drehzahlminderung der Antriebsmaschine (1) erfolgt

2. Elektrisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) der elektromagnetischen Kupplung (3) mit dem Rotor (34) der jo Synchronmaschine (8) ein gemeinsames Bauteil bildet, das im Raum zwischen dem Stator (21) der Synchronmaschine (8) und dem anderen Rotor (4) der elektromagnetischen Kirpplurg(3) umläuft.

3. Elektrisches Gelriebe nach Anspruch 1, dadurch « gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (23) der Synchronmaschine (8) eine polumschaltbare Wicklung ist

4. Elektrisches Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher eine Schiffsschraube und die Antriebsmaschine ein Verbrennungsmotor oder eine Dampfturbine ist