DE2408373A1 - Elektrische mehrphasen-synchronmaschine - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. ,

Dipl.-Ing. H-Weickmann, Dipl-Phys. Dk.K.Fincke Dipl.-Ing. E A.Weιckmann, Dipl-Chem. B. Huber

t MÖNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MOHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

AGENCl NATIONALS DE VALORISATION

DE LA RECHERCHE (ANVAR)

13, rue Madeleine Michelis

92200 Neuilly-sur-Seine, Frankreich

Elektrische Mehrphasen-Synchronmaschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Mehrphasen-Synchronmaschinen und insbesondere auf synchron laufende elektrische Mehrphasen-Leistungsmaschinen, die dazu dienen, die auf Grund einer sich drehenden Welle vorhandene mechanische Leistung in eine elektrische Leistung unter Bildung von Wechselspannungen und Wechselströmen umzusetzen, obwohl die Erfindung in gleicher Weise auch auf Synchronmotoren anwendbar ist.

Es sind bereits bestimmte Wicklungen einer laufenden elektrischen Maschine unter Zuhilfenahme von Supraleitern gebildet worden. Die Supraleiter haben zur Folge, daß extrem hohe Ströme mit sehr geringen Verlusten zirkulieren können und daß korrelativ bei gegebener Leistung bzw. Stärke eine minimale Größe bzw. ein minimales Volumen erhalten werden

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kann. Auf der anderen Seite bringt die Anwendung der Supraleiter für die Bildung einer Wicklung die Aufrechterhaltung einer sehr niedrigen Temperatur bei dieser Wicklung mit sich.' Wenn die von der Maschine abgegebene mechanische Leistung vollständig von der Welle auf den sich drehenden Induktor übertragen wird, stellt die direkte Verbindung zwischen dem Induktor und der Welle eine Wärmeableitbahn dar, deren Vorhandensein durch die Notwendigkeit nach einer Kühleinrichtung sehr großer Leistung zum Ausdruck kommt.

Im übrigen besitzen die supraleitenden Materialien eine magnetische Hysteresis, die eine Wärmeableitung hervorruft, welche wenig verträglich ist mit der Aufrechterhaltung der tiefen Temperaturen, die erforderlich sind für die Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit, wenn die betreffenden Materialien den schnellen oder periodischen Magnetfeldänderungen unterworfen sind. Diese Eigenschaft erschwert die Bildung eines Supraleiter-Ankers. Sie macht in gleicher Weise das Treffen von Vorkehrungen zur Begrenzung der Magnetfeldänderungen des Ankers erforderlich, die Belastungsänderungen hervorrufen. Eine bereits angewandte Lösung besteht darin, zwischen dem Induktor und den feststehenden Wicklungen eine sich drehende bzw. umlaufende Abschirmung vorzusehen, deren Aufbau ähnlich dem Aufbau der herkömmlichen Wechselstromgenerator-Dämpfer ist. Dabei kann es sich insbesondere um eine Kurzschlußwicklung handeln, die im Dauerzustand keiner Flußänderung unterworfen ist und die folglich nicht der Ort eines Stromes ist. Sie kann in gleicher Weise als Leitungsschiene wirken, die in einem Käfiganker untergebracht ist. Eine solche Abschirmung bedämpft jedoch die umlaufenden Magnetfelder derart wirksam in bezug auf eine erhöhte Drehfrequenz, daß sie außerstande ist, die

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Magnetfelder in dem Bereich niederer Frequenzen, wie sie z.B. durch die zyklischen Änderungen der Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Induktors gegeben sind, sehr kleiner Amplitude und grcßer Periode zu bedampfen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Mehrphasen-Synchronmaschine mit einer supraleitenden Induktorspule zu schaffen, welche Maschine ein besseres Verhalten als die bisher bekannten umlaufenden Maschinen mit einer Supraleiterwicklung hinsichtlich der Anforderungen der Praxis zeigen soll, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine erhebliche Verminderung der Feldänderungen, denen die Feldmagnetspule bzw. der Induktor unterworfen ist.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektrische Mehrphasen-Synchronmaschine mit einer supraleitenden Induktorspule, mit der Besonderheit, daß eine die Induktorspule enthaltende, sich drehende Einrichtung vorgesehen ist, bei der ein Anker durch eine passive Abschirmung und eine Hilfsspule getrennt ist, in welcher eine Steuerschaltung die zur Erzeugung eines starken umlaufenden Magnetfeldes führenden Ströme mit solcher Intensität und Frequenz fließen läßt, daß die bei gestörtem Betrieb des Ankers Vorhandenen Störfelder kompensiert werden.

Der gesamte Aufbau der die Erzeugung eines umlaufenden Feldes bzw. Drehfeldes ermöglichenden Hilfs- bzw. Zusatzspule ist verwendbar. Im allgemeinen besteht jedenfalls Interesse daran, eine zwei Wicklungen bildende Spule zu verwenden, deren eine Wicklung, die im folgenden als Quer-Hilfswicklung bezeichnet wird, für jede Phase eine Magnetachse mit einer Phasenverschiebung um 90° zu der Magnetachse des Induktors

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festlegt, und deren andere Wicklung die im folgenden als Längs-Hilfswicklung bezeichnet wird, eine Magnetachse festlegt, die mit der Magnetachse der Induktorspule zusammenfällt.

Die Hilfsspule der Maschine gemäß der Erfindung ermöglicht, die Wirkung der herkömmlichen passiven Abschirmung zu vervollständigen, .und zwar bis zu sehr niedrigen Frequenzen, bei denen die passive Abschirmung unwirksam ist (bis zu einigen Hertz). Diese Hilfsspule kann selbst die passive Abschirmung vollständig ersetzen, ohne daß diese Anordnung einen Vorteil mit sich bringt, da die passive Abschirmung zufriedenstellende Ergebnisse bei hohen Frequenzen mit sich bringt und da bei diesen Frequenzen die Steuerschaltung ein schnelles Ansprechverhalten zeigt.

Die Erfindung ist insbesondere bei elektrischen Maschinen init einer supraleitenden Induktorspule anwendbar, in welcher Maschine die Induktorspule dazu vorgesehen ist, ein sehr schwaches Moment auszuüben zwischen einer Antriebswelle und der betreffenden Induktor spule. In diesem Fall ist die Induktorspule auf Grund der schwachen mechanischen Festigkeit nicht für die Welle verantwortlich; im Gegensatz hierzu ist die Steuerschaltung vorgesehen, um in der Quer-Hilfs-Wicklung einen Gleichstrom solchen Wertes fließen zu lassen, daß das Übertragungsmoment zwischen der Welle und der Induktorspule offensichtlich unbedeutend ist. Demgemäß können die Einrichtungen die die Welle und die Induktorspule verbinden und die eine geringe mechanische Festigkeit haben, derart ausgebildet sein, daß sie eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit haben, womit in einem sehr großen Ausmaß die Störung der oben erwähnten herkömmlichen Wechselstromgeneratoren herabgesetzt wird, welche Störung in einem übermäßigen Kühlverlust durch die Verbindung besteht.

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Bei dieser Ausführungsform ist die Welle in vorteilhafter Weise hohl; sie enthält einen Kryostaten, in welchem die Induktorspule untergebracht ist.

Die Erfindung eignet sich gänzlich für die Anwendung bei einer elektrischen Synchronmaschine, die bei niederer Frequenz arbeitet; hierbei handelt es sich insbesondere um die industriell gebräuchlichen Frequenzen (50 oder 60 Hz) oder um die Frequenzen, die gewöhnlich für andere Anwendungsfälle benutzt werden, wie z.B. um Frequenzen von 400 Hz. Bei dieser Frequenz handelt es sich um die in der Luftfahrt benutzte Frequenz.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem besonderen Ausführungsbeispiel näher beschrieben, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Fig. 1 zeigt schematisch eine Schnittansicht in Achsrichtung einer Maschine.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht längs der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie II-II unter Veranschaulichung von zusätzlichen Einzelheiten.

Fig. 3 zeigt in einem Blockdiagramm das Prinzip einer Steuerschaltung, die den Wert eines in einer Hilfsspule fließenden Stromes regelt.

Der Einfachheit halber wird im folgenden davon ausgegangen, daß die beschriebene sich drehende bzw. umlaufende Maschine eine zweipolige Dreiphasenmaschine ist; es dürfte jedoch einzusehen sein, daß die Anzahl der Phasen und die Anzahl der Polpaare auch hiervon völlig verschieden sein können. Die betreffende Maschine enthält eine sich drehende Einrichtung, die eine im wesentlichen zylindrische Form besitzt. In dieser

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Einrichtung sind von der Achse der Maschine aus betrachtet die in einem Kryostaten enthaltene Induktorspule, die die motorische Leistung erhaltende Welle, eine passive' Abschirmung und eine Hilfsspule/untergebracht. Indessen kann eine andere Anordnung angewendet und vorgesehen sein. So können z.B. von der Achse ausgehend die Induktorspule, die Hilfsspule und die Abschirmung vorgesehen sein. In gleicher Weise kann man, obwohl diese Lösung weniger zufriedenstellend zu sein scheint, eine Vollwelle anstelle einer Hohlwelle verwenden und die Anordnung der Spulen und der passiven Abschirmung um die Welle herum -vorsehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Maschine, die einen Synchron-Wechselstromgenerator darstellt, besitzt einen im wesentlichen ähnlichen Aufbau wie eine an anderer Stelle beschriebene Maschine (Dt-Anm. P 23 55 082.5).

Der Wechselstromgenerator enthält einen feststehenden Rahmen 10 (Fig. 2), der eine Statorwicklung 11 trägt und in welchem eine drehbare Einrichtung untergebracht ist. Die Statorwicklung ist z.B. mit einem elektrische Energie liefernden bzw. erzeugenden Netz verbunden. Sie besteht aus einem Material, welches ein guter elektrischer Leiter ist, und zwar z.B. aus Kupfer oder Aluminium, und welches bei Temperaturen wirksam ist, wie sie für die Spulen der herkömmlichen Wechselstromgeneratoren üblich sind. Während des Betriebs ruft die Drehung der Induktorspule und die Drehung der Hilfsspule .bzw. Hilfswicklung der sich drehenden Anordnung, wie noch unten beschrieben werden wird, in dem Anker 11 elektromagnetische Kräfte hervor.

Der Rahmen 10 trägt an seinen Enden Zentrierlager 12 und für die sich drehende Hohlwelle 14. Diese Lager sind hin-

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reichend weit von dem Anker und den Wicklungen der sich drehenden Anordnung entfernt, damit der durch sie hindurchtretende Magnetfluß schwach bleibt.

Die sich drehende Anordnung enthält eine Supraleiter-Induktorspule 15. Diese Spule, die bei der beschriebenen Ausführungsform zweipolig ist, ist von dem Erregergleichstrom der Maschine durchflossen, der im Dauerbetrieb konstant ist. Die Induktorspule 15 ist in Übereinstimmung mit dem' bei Supraleitermagneten üblichen Verfahren realisiert, weshalb es hier nicht erforderlich ist, diesen Aufbau im einzelnen zu beschreiben. Das Supraleitermaterial kann insbesondere ein vieldrähtiges zusammengesetztes Gebilde sein, dessen miteinander verbundene Einzeldrähte aus Niob

bestehen und und Titan enthaltenden Legierungen/in einer Kupfermatrix eingelagert sind, wobei die Drähte einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt erhalten. Die verschiedenen Einzelleiter, die in angemessener Weise isoliert sind, sind in einer Anzahl zusammengestellt, die ausreicht, um eine Gesamtverteilung des in einem zweipoligen Feld geleiteten Stromes sicherzustellen, z.B. in den Nuten oder Ausnehmungen, die um den Umfang eines Zylinder dorne s 29 vorgesehen sind. Dieser Dorn 29 (Fig. 2) kann aus Stahl (magnetisch oder unmagnetisch, wobei die Induktionen sehr hoch sind), aus einem Isoliermaterial oder überdies aus einem Metall bestehen, welches eine gute mechanische Festigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Verwendet man einen Kunststoff, so ist dieser in vorteilhafter Weise faserverstärkt. Unter den verwendbaren Metallerzeugnissen seien insbesondere die leichten Legierungen auf Aluminiumbasis erwähnt. Die Induktionswicklung bzw. Induktorspule 15 und der diese tragende Dorn sind mit Kühlkanälen vorgesehen, die dazu dienen, ein kryögenes Fluid zirkulieren zu lassen. Die Induktionswicklung

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bzw. Induktorspule 15 ist den magnetischen Beanspruchungen bzw. Spannungen auf Grund ihres eigentlichen Feldes und den mechanischen Beanspruchungen auf Grund der Zentrifugalkraft während des Betriebs ausgesetzt; die betreffende Wicklung bzw. Spule muß auf dem Dorn 29 festgehalten bzw. festgeklemmt sein. Erreicht werden kann dies durch Verwendung der Nuteneinlagen aus einem Material mit guter mechanischer Festigkeit oder durch Verwendung von Metallringen oder überdies durch eine Imprägnierung in einem durch Wärme aushärtbaren Harz. Die vorstehenden Maßnahmen bzw. Verfahren können offen—sichtlich in gleicher Weise kombiniert angewandt v/erden.

Die Induktorspule bzw. Induktionswicklung 15 muß mit einem Gleichstrom gespeist werden, und zwar zumindest während der Anfangsperiode. Diese Speisung kann entweder durch eine Anfangserregung der Welle, die den statischen Gleichrichtern zugeordnet ist, oder von der Außenseite her erfolgen. Diese zweite Lösung ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gezeigt, nach, welchem die Gleitkontakte 16 und 17 die feststehenden Stromabnehmer und die Ringe enthalten, welche von einem Überzug bzw. Mantel 18 getragen werden, der mit dem die Induktionswicklung tragenden Dorn verbunden ist. Die Leiter, die die Gleitkontakte mit der Induktionswicklung bzw. Induktorspule verbinden, sind innerhalb des betreffenden Mantels untergebracht; sie müssen selbstverständlich von der Art sein, daß sie so weit wie möglich die Wärmezu-

Tief
fuhr in Richtung auf die äemperaturzone hin verringern.

Unabhängig von der Lösung, die für die Speisung der Induktionswicklung bzw. -spule beim Systemanlauf angenommen wird, enthält die betreffende Wicklung in vorteilhafter Weise einen Supraleiter-Unterbrecher bzw. -Schalter, der geöffnet ist während des Systemanlaufs und der geschlossen ist, während

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des Dauerbetriebs bzw. bei gleichbleibender Drehzahl, und zwar derart, daß durch den betreffenden Unterbrecher bzw. Schalter die Induktionswicklung kurzgeschlossen und der, für den Betrieb erforderliche Fluß aufgefangen wird. Gleichzeitig kann die Speisung unterbrochen sein.

Die Induktionsspule ist in einem Kryostaten eingeschlossen, der aus einer inneren Zylinderwand 19 und einer äußeren Zylinderwand 20 besteht. Die Induktionsspule ist an dem äußeren Zylinder 20 des Kryostaten mit Hilfe von Zentrierteilen angebracht bzw. festgemacht. Diese Teile enthalten bei der beschriebenen Ausführungsform den Mantel 18 und die Kappen 21. Die äußere Wand 20 des Kryostaten ist in der Welle zentriert und durch Einrichtungen befestigt, die einen so hoch wie möglich liegenden thermischen Widerstand haben müssen. Diese Einrichtungen sind mit 22 bezeichnet. Im Unterschied dazu können die Einrichtungen eine sehr begrenzte mechanische Festigkeit haben.

Zwischen dem Kryostaten und der Welle 14 ist eine Wärmeisolierung vorgesehen, die in herkömmlicher Weise durch einen doppelwandigen Mantel bzw. Überzug mit einem Hohlraum gebildet sein kann; die betreffende Wärmeisolierung kann aber auch aus einem herkömmlichen Material mit hervorragen-· der Isolation bestehen. In gleicher Weise kann von den vorstehenden Einrichtungen getrennt oder mit diesen verbunden eine Mitteltemperatur-Abschirmung verwendet werden, z.B. nach Durchleiten von flüssigem Stickstoff bei 77°K. Die Einrichtungen 22 können durch Flansche oder durch umlaufsymmetrische Einrichtungen der Anordnung aus rostfreiem Stahl mit schwacher Wärmeleitfähigkeit gebildet sein.

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Diese Verbindungen können, wie noch ersichtlich werden wird, jedoch ein sehr schwaches Glied sein; die Induktionsspule ist lediglich einem Drehmoment in bezug auf die im allgemeinen schwache Welle ausgesetzt, welches bei ausgeglichenem Dauerzustand aufgehoben ist.

Der Kryostat selbst muß mit Fluid-Speiseeinrichtungen versehen sein, die ein kryogene Temperaturen aufrechterhaltendes Fluid liefern. Bei der schematisch dargestellten Ausführungsform enthalten diese Einrichtungen ein"Mittelrohr 23, welches in den Innenraum des Dornes mündet, der die Spulenwicklung bzw. Induktionsspule 15 trägt. Durch diese Rohranordnung kann man das kryogene Fluid abgeben, welches flüssiges Helium oder, was noch besser ist, überkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kommt in dem zwischen dem Rohr 23 und dem Mantel bzw. Überzug 18 enthaltenen Zwischenraum wieder zurück (der zuletzt genannte Überzug ist in vorteilhafter Weise mit einem Isoliermaterial versehen). Das Helium wird durch eine Rohrleitung 24 abgeführt, die zu einer feststehenden Aufnahme 25 hin offen ist, welche mit dem Kopfende des Überzugs 18 mittels einer hermetisch abgeschlossenen Drehverbindung 26 zusammenwirkt.

Die Welle 14 trägt eine passive Abschirmung 27 und eine Hilfsspule bzw. Hilfswicklung 28. Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese beiden Einrichtungen bzw. Glieder auf der Außenseite der Welle angeordnet, wobei die Hilfsspule außen liegt. Für die Welle ist ein Material mit hoher mechanischer Festigkeit gewählt, und zwar im allgemeinen ein magnetischer oder unmagnetischer Stahl. Die betreffende Welle kann mit Radialnuten 30 versehen sein, die zur Außenseite hin offen sind und die die Unterbringung der die Abschirmung 27 und die Hilfsspule 28 bildenden Wicklungen ermöglichen.

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Die Abschirmung 27 kann die Anordnung darstellen, die gewöhnlich in den Wechselstromgeneratoren mit einem Supraleiter-Induktor verwendet wird, um das Supraleitermaterial vor den sich ändernden magnetischen Störfeldern zu schützen, die durch Störungen im Anker hervorgerufen werden. Diese Abschirmung wird im allgemeinen durch eine Kurzschlußwicklung bzw..Kurzschlußwindung gebildet, und zwar entsprechend einer Anordnung, die übereinstimmt mit den Kurzschluß- bzw. Käfigankern der Asynchronmotoren.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist diese Wicklung in den Nuten 30 der Welle 14 untergebracht, in welchen in gleicher Weise die Wicklungen bzw. Windungen aufgenommen sind, die die Hilfspüle bzw. Hilfswicklung bilden. Der Einfachheit halber sind in Fig. 2 lediglich einige Nuten dargestellt.

Die Welle trägt ebenfalls zwei Wicklungen, welche die Hilfsspule 28 bilden. Im folgenden sei angenommen, daß eine Wicklung der Wicklungen, die als Längs-Hilfswicklung bezeichnet wird, mit ihrer Magnetachse zusammenfällt mit der Magnetachse der Supraleiter-Induktorspule. Diese Wicklung ist in dem in Fig. 3 dargestellten vereinfachten Blockdiagramm mit 31 bezeichnet. Die andere, in dem Blockdiagramm gemäß Fig. 3 mit 32 bezeichnete Wicklung ist elektrisch um 90° zur Magnetachse der Induktorspule versetzt; aus diesem Grunde ist diese Wicklung als Quer-Hilfswicklung bezeichnet. Wie bereits oben erwähnt, ist diese winkelmäßige Voreilung der beiden Wicklungen nicht die einzige wickelmäßige Voreilung, die benutzt werden kann; die betreffende winkelmäßige Voreilung bringt jedoch den Vorteil einer äußerst einfach ausbildbaren Steuerschaltung mit sich, welche die Ströme derart regelt bzw. steuert, daß die von dem Anker 11 hervorgerufenen Störfelder sich aufheben.

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Die Anordnung der Wicklungen der Sekundärspule kann in Übereinstimmung mit' den Verfahren realisiert sein, die für Rotorwicklungen von Turbo-Wechselstromgeneratoren herkömmlich sind. Das betreffende Verfahren muß soweit wie möglich die Dicke der Anordnung vermindern, welche durch die Hilfsspule, die Abschirmung und die Hohlwelle gebildet ist, und zwar in einem Ausmaß, welches vollständig verträglich ist mit den Abstützungs-Beanspruchungen. Die Wicklungen müssen auf einer Temperatur gehalten werden, die verträglich ist mit der Anwendung herkömmlicher elektrischer Isoliermaterialien und die Wärmeübertragungen zu dem Kryostaten hin einschränkt. Im allgemeinen wird eine Wasserkühlung angewandt. In gleicher Weise kann man auch eine Kühlung mittels eines kryogenen Fluids bei einer Temperatur anwenden, die zwischen der Supraleitfähigkeitstemperatur und der Umgebungstemperatur liegt. Man kann z.B. eine Kühlung durch Zirkulation von flüssigem Stickstoff vornehmen.

Die Wicklungen 31 und 32 werden durch geeignete Ströme gespeist. Bei der hier betrachteten Ausführungsform wird die Längs-Hilfswicklung bzw. -Hilfsspule 31 im nicht gestörten ausgeglichenen Dauerzustand nicht gespeist; die passive Abschirmung wird in gleicher Weise von keinem Strom durchflossen. Da man versucht, den Wert der Momente soweit wie möglich zu verringern, welche, die Induktorspule 15 in bezug auf die Welle 14 zu drehen versuchen, wird in diesem Fall die Quer-Hilfswicklung 32 jedoch mittels eines Gleichstromes gespeist, dessen Stärke proportional dem abgegebenen Wirkstromanteil des Ankers des Wechselstromgenerators istj der Proportionalitätskoeffizient ist so gewählt, daß das auf den Induktor einwirkende Moment aufgehoben wird, welcher die elektrische Leistung liefern würde. Die diesen Strom regelnden Einrichtungen sind nicht beschrieben, da sie sich beschränken auf eine Meßanordnung zur Messung des genannten

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Wirkanteiles und auf einen Stromgenerator, der die Wicklung 32 mit einem Gleichstrom speist, welcher proportional dem betreffenden Anteil ist, wobei der Proportionalitätskoeffizient ein für allemal bestimmt' wird.

Bei fehlerhaftem Betrieb oder bei aus dem Gleichgewicht gebrachten Betrieb leitet die Steuerschaltung jedoch durch die beiden Wicklungen 31 und 32 der Hilfsspule Wechselströme, die dazu bestimmt sind, daß auf den Induktor 15 einwirkende magnetische Störfeld auf einen Wert herabzusetzen, der verträglich ist mit einem angemessenen Betrieb. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erzielt, daß durch die Längs-Hilfswicklung 31 unter Überlagerung eines Gleichstroms in der Quer-Hilfswicklung 32 ein Wechselstrom geleitet wird, so daß ein Drehfeld mit geeigneter Amplitude und Frequenz erzeugt wird.

Die Steuerschaltung kann den in Fig. 3 dargestellten prinzipiellen Aufbau haben. Eine Meßeinrichtung 34, welche die Amplitude I und die Phasenverschiebung (ß der Wechselströme mißt, welche von dem Anker 11 des Wechselstromgenerators an ein Verbrauchernetz 33 abgegeben werden, gibt die Größen I und an einen Rechner 35 ab. Ein Drehzahlmesser und eine Meßeinrichtung zur Messung der Winkelverschiebung des Induktors in bezug auf das Drehfeld des" Ankers 11 (ein z.B. von dem Stator getragener Feldfühler) sind schematisch mit 36 bezeichnet; sie liefern eine Information bezüglich der Geschwindigkeit und der Nacheilung bzw. Verschiebung an den Rechner 35» und zwar unter Bildung von analogen elektrischen Signalen. Auf der Grundlage dieser Elemente bestimmt der Rechner 35, der z.B. durch ein Analogrechennetzwerk gebildet ist, die periodische Hauptkomponente des Anker-Reaktionsfeldes. Die Formeln zur Berechnung dieses Feldes sind herkömm-

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liehe Formeln; der Rechner 35 ist in geeigneter Weise einfach mittels der Moduln eines kommerziellen Analogrechners realisierbar. Ein Vergleicher 37, der mit Datendarstellungseinrichtungen 38 für die Datendarstellung der maximal zulässigen Werte für die Störungen vor einem Steuerungseingriff versehen ist, steuert einen Rechner 40, welcher Generatoren 39 regelt bzw. steuert, die ihrerseits die geeigneten Ströme durch die beiden Wicklungen 31 und 32 leiten.

Die Generatoren 39 können außerhalb der Maschine vorgesehen sein. In diesem Fall wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die Hilfsspule durch drei Gleitkontakte 41 gespeist (oder durch vier Gleitkontakte, wenn der Wunsch besteht, einen gemeinsamen Punkt zu vermeiden). Die Gleitkontakte können durch Kohlebürsten, die auf Metallringen schleifen, oder durch Kontakte aus flüssigem Metall gebildet sein. Anstelle der externen Generatoren kann selbstverständlich ein am Wellenende angebrachter Generator verwendet werden, der mit den zugehörigen statischen Gleichrichtern versehen ist.

Der Anker 11 ist durch eine verteilte zweipolige Dreiphasenwicklung gebildet, die in herkömmlicher Weise aus einem Material gebildet ist, welches ein guter elektrischer Leiter ist (Kupfer oder Aluminium), welches stark gekühlt wird, z.B. durch eine Zwangs zirkulation von Wasser. Die Leiter müssen unterteilt und verdrillt sein, um die Verluste durch die Foucault-Ströme auf einen minimalen Wert herabzusetzen.

Eine Steuerschaltung, die einen anderen Aufbau hat als die in Fig. 3 dargestellte Steuerschaltung, kann angewendet werden. Die einzige Bedingung besteht dabei darin, die

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periodischen Komponenten des Ankerreaktionsfeldes zu bestimmen (oder zumindest die Hauptkomponente) und die Wicklungen 31 und 32 mit den Strömen zu versorgen, die für die Kompensation der Komponenten oder der Komponente erforderlich sind.

Eine Schaltungsanordnung, die eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung darstellt, enthält in der Einrichtung 34 Stromtransformatoren bzw. Stromwandler, welche den Rechner 35 mit Signalen beaufschlagen, welche proportional sind zu dem Augenblickswert der Ströme i_a, i^, i_c, welche der Anker 11 liefert, und der Kreisfrequenz CO dieser Ströme.

Die Einrichtung 36 ist weggelassen, und der Rechner 35 enthält drei Multiplikatoren (z.B. HaIl-Effekt-Sonden), welche das Produkt von i_&, i, bzw. i mit einem entsprechenden sinusförmigen Signal der Kreisfrequenz O) liefern. Dieses sinusförmige Signal, das von einem in dem Rechner 35 enthaltenen Generator geliefert wird, besitzt eine Amplitude, die proportional ist einem Basis- bzw. Grundglied der harmonischen Zerlegung der räumlichen Verteilung der Ankerleiter (dies ist ein konstruktives Charakteristikum des Wechselstromgenerator s und abhängig von den drei Phasen). Ferner ist das betreffende Signal um 90° gegenüber der Spannung phasenverschoben, die an den Anschlüssen der Wicklung vorhanden ist, welche das entsprechende Signal i liefert. Bei jedem Strom i_&, i, oder i_c liefert der entsprechende Multiplikator ein Signal, welches ein konstantes Glied und (wenn der Wechselstromgenerator in dem aus dem Gleichgewicht gebrachten Betrieb sich befindet ) ein Kreisfrequenzglied 2 &) enthält. Die drei, auf der Grundlage der Ströme i_, i, und i„

el O C

erhaltenen Zw-Komponenten werden summiert, z.B. mittels eines als Summiereinrichtung geschalteten bzw. angeordneten Opera-

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tionsverstärkers. Die dabei erhaltene Summe liefert die
Amplitude und die Phase der Kreisfrequenzkomponente 2 ω
des an den Induktor abgegebenen Ankerreaktionsfeldes neu. Diese Größen werden dem Vergleicher 37 zugeführt, der diese Größen dem Rechner 40 übermittelt, wenn die Amplitude
den in der Einrichtung 38 festgelegten Wert überschreitet. Der Rechner 40 steuert sodann die Stromgeneratoren 39 an,
wobei zum einen eine Vervielfachung des von dem Rechner 40 erhaltenen Signals und zum anderen eine Phasenverschiebung um 90° erfolgt, und zwar unter Berücksichtigung eines
konstanten Proportionalitätskoeffizienten, der gleich ist, wenn die Wicklungen 31 und 32 gleich sind, und dessen Wert durch die Charakteristika des Wechselstromgenerators festliegt.

Die Wicklungen 31 und 32 sind um 90° gegeneinander versetzt; sie sind zweipolige Wicklungen in dem Fall, daß der Induktor ebenfalls zweipolig ist. Die betreffenden Wicklungen wirken somit zusammen, um ein Drehfeld mit einer Kreisfrequenz von 2 ω in bezug auf das Induktorfeld zu liefern, welches die Auswirkung der Komponente mit derselben Frequenz der Störungen in dem Induktor kompensiert.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Elektrische Mehrphasen-Synchronmaschine mit einer ■ mehrphasigen Statorwicklung zur Erzeugung eines Drehfeldes und mit einem in einem Kryostaten drehbar untergebrachten Supraleiter-Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich drehende Anordnung vorgesehen ist, umfassend den Induktor (15), eine Übertragungswelle (14) für die Übertragung einer mechanischen Leistung und zwei Hilfswicklungen (31, 32), die in bezug auf die Magnetachse des Induktors (15) eine unterschiedliche Phasenverschiebung aufweisen, . und daß durch eine Steuerschaltung an die Hilfswicklungen (31, 32) Ströme abgebbar sind, welche· ein magnetisches Drehfeld solcher Intensität und Frequenz erzeugen, daß eine Kompensation von bei gestörtem Betrieb der Statorwicklung erzeugten Störfeldern auftritt.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hilfswicklung (31) für jede Phase eine Magnetachse aufweist, die um 90° gegenüber der Magnetachse des" Induktors (15) verschoben ist, und daß die andere Hilfswicklung (32) eine mit der Magnetachse des Induktors (15) zusammenfallende Magnetachse aufweist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die in der genannten einen Hilfswicklung (31) einen Gleichstrom solcher Stärke fließen lassen, daß ein Feld entsteht, welches praktisch das Moment aufhebt, welches den Induktor (15) in bezug auf die die Hilfswicklungen (31, 32) tragende ¥elle (14) zu drehen versucht, und zu einer gemeinsamen

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   Drehung des Induktors (15) mit der Welle (14) führt.
4. 4. Maschine nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß für den Induktor (15) und die ¥elle (14) eine geringe mechanische Festigkeit und einen"hohen thermischen Widerstand besitzende Einrichtungen gemeinsam vorgesehen sind.
5. 5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (14) hohl ist und daß der den Induktor (15) enthaltende Kryostat im Innern der Welle (14) untergebracht ist.
6. 6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich drehende Anordnung eine den Induktor (15) schützende passive Abschirmung (27) enthält.
7. 7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (14) die Abschirmung (27) und die von der Ankerwicklung getrennten Hilfswicklungen trägt.

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