DE2624283A1

DE2624283A1 - Wechselstromerzeuger mit impulserregung

Info

Publication number: DE2624283A1
Application number: DE19762624283
Authority: DE
Inventors: Jacques Henri Jarret
Original assignee: JARRET JEAN MARIE BAPTISTE
Current assignee: JARRET JEAN MARIE BAPTISTE
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-05-31
Publication date: 1976-12-16
Also published as: FR2314614A1; GB1515776A; JPS51150005A; US4227142A; IT1063417B; JPS5653260B2; DE2624283C2; BE842335A; CA1108695A; SU1066469A3; FR2314614B1

Description

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Jacques Henri JiEEET und Jean Baptiste Marie JAElRET Wechselstromerzeuger mit iapulserregung.

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromerzeuger mit Impulserregung und ist insbesondere auf geradlinige Wechselstromerzeuger mit Freiflugkolben anwendbar, d.h. Wechselstromerzeuger mit Freiflugkolben, bei welchen der Querschnitt der beweglichen Teile längs des ganzen Wechselstromerzeugers konstant bleibt.

Bekanntlich kann in gewissen Wärmekraftmotoren, welche im allgemeinen keinen Kurbeltrieb aufweisen, die Hin- und Herbewegung eines Kolbens zur Umwandlung der von der Entspannung der verbrannten Gase herrührenden mechanischen Energie in elektrische Energie mitteis eines geradlinigen Wechselstromerzeugers mit Freiflugkolben ausgenutzt werden, welcher einen beweglichen, fest mit dem Kolben verbundenen Teil und einen festen Teil aufweist, welcher fest mit einem Zylinder verbunden ist, in welchem sich der Kolben bewegt.

In der französischen Patentschrift Kr. 69 42152 vom 5· Dezember 1969 ist bereits ein geradliniger Wechselstromerzeuger beschrieben, in welchem der bewegliche Teil ein Ring aus einem geblätterten ferromagnetischen Werkstoff ist, während der feste Teil durch eine Magnetfeldanordnung gebildet wird, welche aus einem mit Spulen versehenen, ebenfalls aus einem geblätterten ferromagnetischen Werkstoff bestehenden Magnetkreis besteht. Die Bewegung des beweglichen Ringes in dem von einem Magnetfluß

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durchsetzten festen Magnetkreis verändert den dem Durchtritt des Flusses entgegengesetzten magnetischen Widerstand und verändert somit den Fluß innerhalb der Spulen. Diese Flußänderungen induzieren in den Spulen elektromotorische Kräfte, so daß einem mit diesen Spulen verbundenen Benutzungsnetz ein elektrischer Strom unter Spannung geliefert werden kann·

Zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine mit veränderlichem magnetischem Widerstand benutzt man im allgemeinen Magnetkreise, welche mit einer Erregerwicklung und einer Entnahmewicklung versehen sind. Die Erregerwicklung wird grundsätzlich von einem konstanten Strom durchflossen, welcher den erzeugten mittleren Magnetfluß erzeugt, welcher durch die Änderungen des magnetischen Widerstands moduliert wird. Damit die dem System durch die Bewegung der beweglichen Anordnung zugeführte Energie nicht in die Erregerquelle zurückgeschickt wird, muß die Erregerwicklung mehrere Magnetkreiselemente umschließen, in welchen solche Flußänderungen auftreten, daß die algebraische Summe des Flusses konstant ist, wobei an jedem dieser Magnetkreiselemente eine Entnahme spule angebracht ist, welche die außerhalb der Maschine verwendete elektrische Energie liefert.

Dieser Aufbau erfordert eine gewisse geometrische Kompliziertheit der Magnetkreise, was zur Benutzung einer beträchtlichen Eisen- und Kupfermasse für die Herstellung des festen Teils des Wechselstromerzeugers führt. So kann in einem Wärmekraftmotor ohne Kurbeltrieb mit elektromagnetischer Übertragung die Masse der Magnetfeldanordnung Dreiviertel der Gesamtmasse des Motors darstellen.

Außerdem suchen die Eigeninduktanz des Wechselstromerzeugers und gegebenenfalls die Induktanz des Nutzkreises beide eine Phasenverschiebung des die Spulen durchflies senden elektrischen Stroms gegenüber der Bewegung der beweglichen Anordnung zu erzeugen. Diese Phasenverschiebung trägt zur Verringerung der Energieübertragung der Maschine bei oder erfordert die Benutzung von Ausgleichskapazitäten, welche einen beträchtlichen Platzbedarf und einen hohen Preis haben, was die Kosten der Maschine

erhöht.

Die Erfindung bezweckt die lösung der obigen Aufgabe und insbesondere die Verringerung des Gewichts und der Kosten

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ORIGINAL INSPECTED

derartiger geradliniger Wechselstromerzeuger.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erregung der Wechselstromerzeuger ist dadurch gekennzeichnet, daß in die Entnahmespulen elektrische Energie in Form von kurzen Stromimpulsen geschickt wird, welche im richtigen Augenblick mit Hilfe einer entsprechenden elektronischen Vorrichtung zur Magnetisierung des Magnetkreises zugeführt werden« Diese Impulserregung erfordert nicht, daß die Summe der Flüsse in mehreren Elementen des Magnetkreises konstant ist. Hierdurch kann die Form der Magnetkreise vereinfacht und die Eisen- und Kupfermasse herabgesetzt werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausübung des obigen Verfahrens.

Hierfür ist der Wechselstromerzeuger erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens eine Spule aufweist, welche von einem Magnetkreis umgeben ist, welcher mit einer beweglichen Anordnung einen Luftspalt begrenzt, dessen Wert sich entsprechend den Bewegungen der beweglichen Anordnung ändert, wobei die beiden Enden der Spule mit der positiven bzw. negativen Klemme einer Stromquelle konstanter Spannung über zwei gesteuerte Ventile des Typs Transistor oder Thyristor verbunden sind, wobei außerdem nur in einer Richtung wirkende, durch Dioden dargestellte Verbindungen zwischen jedem Ende der Spule und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle vorgesehen sind.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1a bis 1d zeigen schematisch vier charakteristische Stellungen einer erfindungsgemäßen Maschine, von welcher angenommen ist, daß sie nur eine Spule aufweist, welche von einem Magnetkreis umgeben ist, in dessen Mitte sich ein beweglicher Kern bewegt.

Fig. 2 ist ein Schaltbild des Schemas der Fig. 1a bis

Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Maschine mit zwei parallel in Nuten des Magnetkreises angeordneten Spulen.

Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV der

Fig. 3.

Fig. 5a und 5b zeigen je in einer geschnittenen Sei-

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ORIGINAL INSPECTED

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tenansiclit eine Halbansicht einer erfindungsgemäßen Maschine in einer charakteristischen Stellung derselben.

Fig. la bis 1d zeigen eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßer Wechselstromerzeugers in vier charakteristischen Betriebsstellungen. Jede Spule 1 wird von einem Magnetkreis 2 aus geblätterten Eisenblechen umgeben, welcher mit einer beweglichen Anordnung oder Kolben 3 einen luftspalt 4"begrenzt , dessen Wert sich entsprechend den Bewegungen der ebenfalls aus geblätterten ferromagnetischen Blechen hergestellten beweglichen Anordnung 3 ändert.

Die beiden Enden der Spule 1 sind mit den Klemmen A und B einer Erregervorrichtung 31 verbunden· Die Klemmen A und B der Vorrichtung 31 sind mit der positiven bzw. negativen Klemme einer durch eine Akkumulatorenbatterie 5 dargestellten Konstantspannungsquelle verbunden. Die Verbindungen zwischen den Klemmen A und B und der Akkumulatorenbatterie 5 sind über zwei gesteuerte Ventile hergestellt, welche auf der Zeichnung in Form von einfachen Schaltern 6a und 6b dargestellt sind. Außerdem sind nur in einer Richtung wirksame Verbindungen 7a und 7b zwischen den mit Jedem Ende der Spule verbundenen Klemmen A und B und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle hergestellt welche schematisch durch einen Strich und einen Punkt dargestellt sind, welche, wenn die Verbindung nicht leitend ist, getrennt dargestellt sind.

Bei Untersuchung eines Arbeitsspiels der Bewegung der "beweglichen Anordnung, d.h. eines Hin- und Rückgangs des Kolbens 3, kann das Arbeiten des Wechselstromerzeugers in vier schematisch in Fig. 1a bis 1d dargestellte Perioden unterteilt werden.

In Fig. 1a, welche den Ausgangszustand der ersten Periode des Arbeitsspiels darstellt, hat der Luftspalt 4 seinen kleinsten Wert,und die am Ende ihres Weges befindliche Anordnung steht praktisch still. Die gesteuerten Ventile 6a, 6b sind leitend, bis der Magnetfluß in dem Magnetkreis 2 seinen größten Wert erreicht, während die nur in einer Richtung wirkenden Verbindungen 7a, Tb nicht leitend sind und den Stromdurchgang zwischen den Enden der Spule 1 und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle 5 verhindern.

In der die ziseite Periode des Arbeitsspiels dar-

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«J =3

stellenden Figur 1b sind die Ventile 6a und 6b in ihren Sperrzustand gebracht, während sich die bewegliche Anordnung 3 in Richtung des Pfeils £^ bewegt und den Luftspalt 4- vergrössert. Der Fluß wird durch die Änderung des magnetischen Widerstands herabgesetzt und erzeugt eine elektromotorische Kraft, welche größer als die Spannung der Stromquelle 5 ist. Der Strom, welcher den gleichen Sinn wie während der vorhergehenden Periode beibehält, fließt über die nur in einer Richtung wirksamen Verbindungen 7a und ?b und liefert die Hutzenergie der Maschine.

In der den Anfangs zustand der dritten Periode des Arbeitsspiels darstellenden Figur 1£ bleibt die bewegliche Anordnung 3 an dem anderen Ende ihres Weges stehen, wobei sie an einem Rückführ anschlag 8 anschlägt. Der Luft spalt 4 hat dann seinen grössten Wert. Die Ventile 6a und 6b bleiben in ihrem Sperrzustand gehalten. Der elektrische Strom nimmt ab und wird schnell unterbrochen, wenn sich die Bewegung der beweglichen Anordnung 3 infolge der Reaktion an dem Anschlag 8 umkehrt und eine gegenelektromotorische Kraft sich dem Stromfluß widersetzt.

In der die vierte Periode des Arbeitsspiels

darstellenden Figur 1d bewegt sich die bewegliche Anordnung 3 in Richtung des Pfeils fp, wobei der Luftspalt 4- abnimmt. Der Sbrom bleibt unterbrochen, bis die Ventile 6a und 6b in ihren leitenden Zustand gebracht werden, was am Hubende erfolgt, wenn die erste Periode des nächsten Arbeitsspiels beginnt, wo die Anordnung wieder die Stellungen der Fig. 1a einnimmt.

Bei jedem Arbeitsspiel entspricht der Betrag

der übertragenen Kutzenergie einerseits dem Produkt aus der während der zweiten Periode des Arbeitsspiels (1b) erhaltenen Flußänderung und der mittleren Amperewindungszahl der Spule während dieser Periode, und andererseits dem Produkt aus der mittleren magnet «mechanischen Kraft, welche stets während dieser Halbperiode zwischen der beweglichen Anordnung 3 und dem Magnetkreis 2 in der Richtung der Bewegung wirkt, und der von der beweglichen Anordnung zurückgelegten Strecke.

Ih Fig. 2 ist ein Fig. 1a bis 1d entsprechendes elektronisches Schaltbild dargestellt. Ih Fig. 2 sind die gesteuerten Ventile 6a und 6b durch zwei Thyristoren {Eh,, bzw. Th₂ dargestellt, während die nur in einer Richtung wirksamen Verbindungen 7a und 7b durch Dioden D₁ bzw. D₂ dargestellt sind.

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Die in dieser Figur dargestellten Pfeile geben die normale Stromrichtung an.

Die Steuerelektroden g₁ und g₂ der Thyristoren Th und Th₂ sind mit einer Vorrichtung 9 verbunden, welche den

Durchlässigkeitszustand der Thyristoren Th₁ und Th₂ in der oben für die gesteuerten Ventile 6a und 6b angegebenen Weise steuert.

Die Dauer des von der Vorrichtung 9 gesteuerten Erregerimpulses stellt etwa 1 bis 10% der Gesamtdauer des Arbeitsspiels dar. Die Vorrichtung 9 regelt den Beginn des Erregerimpulses so, daß der Nutzstrom in der Spule unter den besten Bedingungen mit der Änderung des magnetischen Widerstands infolge der Bewegung der beweglichen Anordnung in Phase ist.

Wie in Fig. la bis Id dargestellt, braucht der Wechselstromerzeuger nur eine einzige Spule aufzuweisen. Es ist jedoch häufig zweckmässig, wie in Pig· 3 und 4 dargestellt, zwei Spulen 1a und 1b in in einem Magnetkreis Z^x ausgebildeten Nuten anzuordnen, in dessen Mitte sich die bewegliche Anordnung 3 bewegt, wobei die beiden Spulen 1a und 1b_ parallel in diesen Nuten so angeordnet sind, daß die (in Fig. 1b angegebene) zweite Periode des Arbeitsspiels in einer Spule der (in Fig. 1d angegebenen.) vierten Periode in der anderen Spule entspricht· Es wird nämlich eine bessere Kontinuität des gelieferten Stroms durch Entnahme der mechanischen Energie an der beweglichen Anordnung 3 sowohl beim Hingang als auch beim. Rückgang ihrer Hin- und Herbewegung angestrebt, so daß der entstehende elektrische Strom niemals zu Null wird und praktisch konstant ist.

In Fig. 3 sind die beiden Enden der Spule la dargestellt, Teelche (durch eine der Vorrichtung 31 der Fig. 1a bis 1d entsprechende Vorrichtung 51^f) mit der positiven bzw. negativen Klemme einer Konstantspannungsquelle 5* über zwei Thyristoren Th*/, und Th* ₂ verbunden sind, wobei Verbindungen durch Dioden D* und D* zwischen jedem Ende der Spule 1a und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle hergestellt sind. Ebenso sind die beiden Enden der Spule 1b (durch eine Vorrichtung 31") mit der positiven bzw. negativen Klemme der Stromquelle 5¹ über zwei Thyristoren Th" und Th" verbunden, wobei Verbindungen durch Dioden D"^ und D"₂ zwischen jedem Ende der Spule 1b und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle hergestellt sind.

Die Ausführung der Fig. 3 und.A- gewährleistet so 609851 /0338

eine bessere Kontinuität des Stroms, welcher einer in dem Stromkreis der Stromquelle angeordneten Belastung L geliefert wird, da in elektrischen Strom die an der beweglichen Anordnung sowohl beim Hingang als auch beim Rückgang ihrer Hin- und Herbewegung abgenommene mechanische Energie umgewandelt wird.

Fig. 5a und 5b zeigen zwei Ansichten einer gemäf3 Fig. 3 und 4- ausgebildeten Maschine. Ia Fig. 5a und 5b weist die Maschine einen einzigen Wärmekraft zylinder 11 auf, in welchem sich zwei bewegliche zylindrische Anordnungen 12 bzw. 13 bewegen, welche den beweglichen Anordnungen 3 der vorhergehenden Figuren entsprechen. Der Wärmekraftzylinder/il besitzt Einlaßöffnungen 14 und 15, Auslaßöffnungen 16 und 17 und einen zentralen Einspritzer 18. Die beweglichen Anordnungen 12 und 13 schwingen symmetrisch zwischen einem äußeren Totpunkt, welcher erreicht wird, wenn die entgegengesetzten Seiten der Kolben der beweglichen Anordnungen eine in den Kammern 18a und I8b von zwei hydraulischen elastischen Rückführvorrichtungen (Fig. 5a) enthaltene Flüssigkeit unter Druck gesetzt haben,und einem äußeren Totpunkt, welcher erreicht wird, wenn die einander gegenüberliegenden Arbeitsflächen der gegenläufigen Kolben 2 mm voneinander entfernt stehenbleiben, nachdem sie das in die von ihnen begrenzte mittlere Kammer veränderlichen Volumens 19 eingeführte brennbare Gemisch verdichtet haben (Fig. 5b), und bevor das brennbare Gemisch die Kolben zurückschickt. Auf der Zeichnung sind die die Rückführflüssigkeit enthaltenden Kammern 18a und 18b schematisch mit einer hydraulischen Flüssigkeitsquelle 20 verbunden.

Jeder Kolben 12, 13 weist eine ringförmige Masse aus geblättertem Eisen 21, 22 auf, welche in einem unmagnetischen Werkstoff 23, 24 gefasst ist und während der Hin- und Herbewegung der Kolben vor einer ringförmigen Magnetfeldanordnung 25, 26 vorbe!geführt wird, welche wie der Magnetkreis 2 der vorhergehenden Figuren geblättert ist.

Wie die Spulen 1a und 1b der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 sind Spulen 27, 28 und 29, 30 parallel in den Nuten eines Magnetkreises angeordnet. Wie man sieht, befindet sich, wenn die dem Kolben 12 zugeordnete magnetische Masse 21 sichvor einer der Spulen 27 oder 28 befindet, der unmagnetische Teil in der anderen Spule. Das gleiche gilt für die magnetische Masse 22 und die Spulen 29 "und 30·

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Die Spulen 27, 28 bzw. 29, 30 bilden in Verbindung mit den geblätterten Massen 21 und 22 Anlaßorgane für die Inbetriebsetzung der Maschine, Abstimmorgane für die Bewegung der Freiflugkolben 12 und 13 in Phase, sowie Quellen von durch das Arbeiten der Maschine gelieferter elektrischer Energie. Entsprechend den Ausführungen anlässlich der Fig. 3 wird die gesamte Vorrichtung von einer schematisch bei 31^f dargestellten Vorrichtung erregt, und die Spulen 27, 28 bzw. 29, 30 sind parallel so angeordnet, daß die zweite Periode eines Arbeitsspiels in einer Spule der vierten Periode in der anderen Spule entspricht.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht die

Regelung eines Stroms und die wirksame Benutzung einer Puffer-Duelle .

Die Erfindung kann abgewandelt werden und erstreckt sich im besonderen auf jede Wärmekraftmaschine, ia welcher der Stator die Magnetfeldanordnung darstellt und der Rotor aufeinanderfolgende Zähne aufweist, welche der beweglichen Anordnung der oben beschriebenen Ausführungen entsprechen.

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Claims

P A ϊ Ε JjI TAU SPRÜCHE

/ΐΛ Verfahren zur Erregung eines Wechselstromerzeugers, daourßli gekennzeichnet, daß in die Spulen (1) zur Entnahme elektrischer Energie kurze Stromimpulse geschickt werden, welche im richtigen Zeitpunkt zugeführt werden, um die Magnetisierung des Magnetkreises mittels einer entsprechenden elektronischen Vorrichtfing so zu gewährleisten, daß diese Sapulserregung nicht erfordert, daß die Summe der Flüsse in mehreren Elementen konstant ist, und daß die Form der Magnetkreise vereinfacht werden und die Eisen- und Kupfermasse herabgesetzt werden kann.

2· Wechselstromerzeuger mit Itapulserregung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Spule (1), welche von einem Magnetkreis (2) umgeben ist, welcher mit einer zwischen zwei Stellungen beweglichen hin- und hergehenden Anordnung (3) einen Luftspult (4) abgrenzt, dessen Wert sich entsprechend der Bewegung der beweglichen Anordnung ändert, wobei die Enden der Spule mit der positiven bzw. negativen Klemme einer Konstantspannungsquelle (5) über zwei gesteuerte Ventile (6a, 6b) verbunden sind, wobei außerdem nur in einer Richtung wirkende Verbindungen (7a, 7b) zwischen jedem Ende der Spule und der entgegengesetzten Klemme der Stromquelle vorgesehen sind.

3. Wechselstromerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Ventile Thyristoren (Th*^, Th*_o, Th"^. ι Q!h"_o) sind.

4. Wechselstromerzeuger nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung wirkenden Verbindungen durch Dioden (D^, D*₂, D'^, D"₂) gebildet werden.

5. Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (6a, 6b) durch eine Vorrichtung (9) gesteuert werden, welche einen Erregerimpuls abgibt, welcher etwa 1 bis 10 % der Gesamtdauer eines Arbeitsspiels der beweglichen Anordnung darstellt.

6. Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des Erregerimpulses so eingestellt ist, daß der Nutzstrom in der Spule praktisch mit der durch die Bewegung der beweglichen Anordnung er-

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zeugten Änderung des magnetischen Widerstands in Phase ist.

7· Wechseistromerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch zwei Spulen (1a, 1b), welche parallel in den Nuten eines llagnetkreises so angeordnet sind, daß, bei Unterteilung des Arbeitens des Wechselstromerzeugers in vier Perioden, die zweite Periode in einer Spule der vierten Periode in der anderen Spule entspricht, derart, daß die mechanische Energie an der beweglichen Anordnung sowohl beim Hingang als auch beim Rückgang einer Hin- und Herbewegung entnommen wird.

8· Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch geitennzeichnet, daß er als eine geradlinige Maschine mit UreJUflugkolben ausgebildet ist, in welcher jede bewegliche Anordnung dem magnetischen Teil eines ite if lugkolbens entspricht.

9· Geradlinige Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Teil (12, 13) eines ireiflugkolbens in einem unmagnetischen Teil (23» 24) angeordnet ist, dessen länge praktisch der länge des magnetischen Teils entsprich,

10. Wechselstromerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als eine Wärmekraftmaschine ausgebildet ist, bei welcher der Stator den Magnetkreis darstellt und der Rotor der beweglichen Anordnung entsprechende aufeinanderfolgende Zähne aufweist.

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