DE2624283C2 - Wechselstromerzeuger mit Impulserregung - Google Patents

Description

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durch die Bewegung der beweglichen Anordnung züge- S sind über zwei gesteuerte Ventile hergestellt, welche führte Energie nicht in die Erregerquelle zurückge- auf der Zeichnung in Form von einfachen Schaltern 6a schickt wird, muß die Erregerwicklung mehrere Ma- und 66 dargestellt sind Außerdem sind nur in eintr gnetkreiselemente umschließen, in denen solche Fluß- Richtung wirksame Verbindungen 7a und Tb zwischen änderungen auftreten, daß die algebraische Summe des 5 den mit jedem Ende der Spule verbundenen Klemmen Flusses konstant ist, wobei an jedem dieser Magnet- A und B und der entgegengesetzten Klemme der kreiselemente eine Entnahmespule angebracht ist wel- Stromquelle hergestellt, welche schematisch durch eiche die außerhalb der Maschine verwendete elektrische nen Strich und einen Punkt dargestellt sind, welche. Energie liefert. Dieser Aufbau erfordert eine gewisse wenn die Verbindung nicht leitend ist, getrennt dargegeometrische Kompliziertheit der Magnetkreise, was io stellt sind.

beträchtliche Eisen- und Kupfermengen für die Herstel- Bei Untersuchung eines Arbeitsspiels der Bewegung lung des festen Teils de-5 Wechselstromerzeugers erfor- der beweglichen Anordnung, d. h. eines Hin- und Rückderlich macht So kann in einem Wärmekraftmotor oh- gangs des Kolbens 3, kann das Arbeiten des Wechseine Kurbeltrieb mit elektromagnetischer Übertragung Stromerzeugers in vier schematisch in Fig. la bis 1d die Masse der Magnetfeldanordnung drei viertel der 15 dargestellte Perioden unterteilt werden.
Gesamtmasse des Motors ausmachen. Außerdem su- In Fig. la, welche den Äusgangszustand der ersten chen die Eigeninduktanz des Wechselströmerzeugers Periode des Arbeitsspiels darstellt, hat der Luftspalt 4 und gegebenenfalls die Induktanz des Nutzkreises beide seinen kleinsten Wert, und die am Ende ihres Weges eine Phasenverschiebung des die Spulen durchfließen- befindliche Anordnung steht praktisch still. Die gesteuden elektrischen Stroms gegenüber der Bewegung der 20 erten Venble 6a, 6b sind leitend, bis der Magnetfluß in beweglichen Anr-rdnung zu erzeugen. Diese Phasenver- dem Magnetkreis 2 seinen größten a-"ert erreicht, wähschiebang trägt zur Verringerung der Enerp^eübertra- rend die nur in einer Richtung wirkender» Verbindungen gung der Maschine bei oder erfordert die Benutzung 7 a, 7b nicht leitend sind und den Stromdurchgang zwivon Ausgleichskapazitäten, welche einen beträchtlichen sehen den Enden der Spule 1 und der entgegengesetzten Platzbedarf und einen hohen Preis haben, was. die Ko- 25 Klemme der Stromquelle 5 verhindern,
sten der Maschine erhöht In der die zweite Periode des Arbeitsspiels darstellen-

Ausgehend von diesem bekannten Wechseistromer- den F i g. Ib sind die Ventile 6a und 6b in ihren Sperrzu-

zeuger liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen stand gebracht während sich die bewegliche Anord-

einfacher aufgebauten und leichteren Energieerzeuger nung 3 in Richtung des Pfeils /j bewegt und den Luft-

mit optimaler Energiewandlung zu schaffen. 30 spalt 4 vergrößert. Der Fluß wird durch die Änderung

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden des magnetischen Widerstands herabgesetzt und erMerkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst zeugt eine elektromotorische Kraft, welche größer als

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbe- die Spannung der Stromquelle 5 ist Der Strom, welcher

sondere darin, daß das Gewicht und damit auch die den gleichen Sinn wie während der vorhergehenden Pe-

Kosten eines geradlinigen Wechselstromerzeugers ver- 35 riode beibehält fließt über die nur in einer Richtung

ringen werden. wirksamen Verbindungen 7a und 7b und liefert die

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge- Nutzenergie der Maschine,

stellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt In der den Anfangszustand der dritten Periode des

F i g. 1 a bis 1 d schematisch vier charakteristische Stel- Arbeitsspiels darstellenden F i g. 1 c bleibt die bewegli-

lungen einer erfindungsgemäßen Maschine, von wel- 40 ehe Anordnung 3 an dem anderen Ende ihres Weges

eher angenommen ist, daß sie nur eine Spule aufweist stehen, wobei sie an einem Rückfuhranschlag 8 an-

welche von einem Magnetkreis umgeben ist in dessen schlägt Der Luftspalt 4 hat dann seinen größten Wert.

Mitte sich ein beweglicher Kern bewegt Die Ventile 6a und 6b bleiben in ihrem Sperrzustand Fig. 2 ein Schaltbild des Schemas der F ig. la bis Id, gehalten. Der elektrische Strom nimmt ab und wird

F i g. 3 eine schematische Darstellung der erfindungs- 45 schnell unterbrochen, wenn sich die Belegung 4er begemäßen Tviaschine mit zwei paralkl in Nuten des Ma- weglichen Anordnung 3 infolge der Reaktion an dem gnetkreises angeordneten Spulen, Anschlag 8 umkehrt und eine gegenelektromotorische

F ig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Kraft sich dem Stromfluß widersetzt. F i g. 3. In der die vierte Periode des Arbeitsspiels darstellen- Fig. 5a, 5b je in einer geschnittenen Seitenansicht 50 den Fig. 1d bewegt sich die bewegliche Anordnung 3 in

eine Halbansicht einer erfindungsgemäßen Maschine in Richtung des Pfeils /2, wobei der Luftspalt 4 abnimmt,

einer charakteristischen Stellung derselben. Der Strom bleibt unterbrochen, bis die Ventile 6a und

Fig. la bis Id zeigen eine schematische Teilansicht 66 in ihren leitenden Zustand gebracht werden, was am eines erfindungsgemäßen Wechselstromerzeugers in Hubende erfolgt wenn die erste Periode des nächsten vier charakteristischen Betriebsstellungen. Jede Spule 1 55 Arbeitsspiels beginnt, wo die Anordnung wieder die wird von einem Magnetkreis 2 aus geblätterten Eisen- Stellungen der F i g. la einnimmt,
blechen umgeben, welcher mit einer beweglichen An- Bei jedem Arbeitsspiel entspricht der Betrag der Ordnung oder Kolben 3 einen Luftspalt 4 begrenzt, des- übertragenen Nutzenergie einerseits dem Produkt aus sen Wert sich entsprechend den Bewegungen der eben- der während der- rweiten Periode des Arbeitsspiels (\b) falls aus geblätterten ferromagnetischen Blechen herge- eo erhaltenen Flußänderung und der mittleren Amperestellten beweglichen Anordnung 3 ändert windungszahl der Spule während dieser Periode, und

Die beiden Enden der Spule 1 sind mit den Klemmen andererseits dem Produkt aus der mittleren cnagnetme- A und B einer Erregervorrichtung 31 verbunden. Die chanischen Kraft, welche stets während dieser Halbpe- Klemmen A und B der Vorrichtung 31 sind mit der riode zwischen der beweglichen Anordnung 3 und dem

positiven bzw. negativen Klemme einer durch eine Ak- 65 Magnetkreis 2 in de/ Richtung der Bewegung wirkt, und

kumulatorenbatterie 5 dargestellten Konstantspan- der von der beweglichen Anordnung Zurückgelegten

nungsquelle verbünde.:. Die Verbindungen zwischen Strecke,

den Klemmen A und B und der Akkumulatorenbatterie In F i g. 2 ist ein F i g. 1 a bis Id entsprechendes eiektri-

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sches Schaltbild dargestellt. In F i g. 2 sind die gesteuer- Ordnungen eine in den Kammern 18a und 186 von zwei ten Ventile 6a und 66 durch zwei Thyristoren Th\ bzw. hydraulischen elastischen Rückführvorrichtungen Thj dargestellt, während die nur in einer Richtung wirk- (F i g. 5a) enthaltene Flüssigkeit unter Druck gesetzt hasamen Verbindungen la und Tb durch Dioden D, bzw. ben, und einem äußeren Totpunkt, welcher erreicht D₂ dargestellt sind. j wird, wenn die einander gegenüberliegenden Arbeitsflä-Die in dieser Figur dargestellten Pfeile geben die nor- chen der gegenläufigen Kolben 2 mm voneinander ent· male Stromrichtung an. fernt stehenbleiben, nachdem sie das in die von ihnen Die Steuerelektroden g\ und g₂ der Thyristoren Th\ begrenzte mittlere Kammer veränderlichen Volumens und Th₂ sind mit einer Vorrichtung 9 verbunden, welche 19 eingeführte brennbare Gemisch verdichtet haben den Durchlässigkeitszustand der Thyristoren Th, und io (Fig. 5b), und bevor das brennbare Gemisch die Kolben Th₂ in der oben für die gesteuerten Ventile 6a und 6b zurückschickt. Auf der Zeichnung sind die die Rückführangegebenen Weise steuert. flüssigkeit enthaltenden Kammern 18a und 186 schema-Die Dauer des von der Vorrichtung 9 gesteuerten tisch mit einer hydraulischen Flüssigkeitsquellc 20 ver-Erregerimpulses stellt etwa 1 bis 10% der Gesamtdauer bunden.

des Arbeitsspiels dar. Die Vorrichtung 9 regelt den Be- is Jeder Kolben 12,13 weist eine ringförmige Masse aus

ginn des Erregerimpulses so. daß der Nutzstrom in der geblättertem Eisen 21, 22 auf, welche in einem unma-

Spule unter den besten Bedingungen mit'der Änderung gnetischen Werkstoff 23,24 gefaßt ist und während der

des magnetischen Widerstands infolge der Belegung Hin- und Herbewegung der Kolben vor einer ringförmi-

der beweglichen Anordnung in Phase ist. gen Magnetfeldanordnung 25, 26 vorbeigeführt wird. Wie in Fig. la bis Id dargestellt, braucht der Wech- 20 welche wie der Magnetkreis 2 der vorhergehenden Fi-

selstromerzeuger nur eine einzige Spule aufzuweisen. guren geblättert ist

Es ist jedoch häufig zweckmäßig, wie in Fig.3 und 4 Wie die Spulen Ia und Xb der Ausführungsform gedargestellt, zwei Spulen la und 16 in in einem Magnet- maß F i g. 3 und 4 sind Spulen 27, 28 und 29, 30 parallel kreis 2' ausgebildeten Nuten anzuordnen, in dessen Mit- in den Nuten eines Magnetkreises angeordnet. Wie man te sich die bewegliche Anordnung 3 bewegt, wobei die 25 sieht, befindet sich, wenn die dem Kolben 12 zugeordnebeiden Spulen la und 16 parallel in diesen Nuten so te magnetische Masse 21 sich vor einer der Spulen 27 angeordnet sind, daß die (in F i g. 1 b angegebene) zweite oder 23 befindet, der unmagnetische Teil in der anderen Periode des Arbeitsspiels in einer Spule der (in F i g. Id Spule. Das gleiche gilt für die magnetische Masse 22 und angegebenen) vi?nen Periode in der anderen Spule ent- die Spulen 29 und 30.

spricht. Es wird nämlich eine bessere Kontinuität des 30 Die Spulen 27, 28 bzw. 29, 30 bilden in Verbindung gelieferten Stroms durch Entnahme der mechanischen mit den geblätterten Massen 21 «ind 22 Anlaßorgane für Energie an der beweglichen Anordnung 3 sowohl beim die Inbetriebsetzung der Maschine. Abstimmorgane für Hingang als auch beim Rückgang ihrer Hin-und Herbe- die Bewegung der Freiflugkolben 12 und 13 in Phase, wegung angestrebt, so daß der entstehende elektrische sowie Quellen von durch das Arbeiten der Maschine Strom niemals zu Null wird und praktisch konstant ist. 35 gelieferter elektrischer Energie. Entsprechend den Ausin Fig.3 sind die beiden Enden der Spule la darge- führungen anläßlich der Fig.3 wird die gesamte Vorstellt, welche (durch eine der Vorrichtung 31 der Fig. la richtung von einer schematisch bei 3i" dargesicüien bis td entsprechende Vorrichtung 3Γ) mit der positiven Vorrichtung erregt, und die Spulen 27, 28 bzw. 29, 30 bzw. negativen Klemme einer Konstantspannungsquel- sind parallel so angeordnet, daß die zweite Periode eines Ie 5'über zwei Thyristoren Th\ und ThΊ verbunden sind, 40 Arbeitsspiels in einer Spule der vierten Periode in der wobei Verbindungen durch Dioden D\ und D'₂ zwi- anderen Spule entspricht.

sehen jedem Ende der Spule la und der entgegengesetz- Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Rege-

ten Klemme der Stromquelle hergestellt sind. Ebenso lung eines Stroms und die wirksame Benutzung einer

sind die beiden Enden der Spule 16 (durch eine Vorrich- Pufferquelle.

tung 31") mit der positiven bzw. negativen Klemme der 45 Die Erfindung kann abgewandelt werden und erStromquelle 5' über zwei Thyristoren Th"\ und Th"₂ streckt sich im besonderen auf jede Wärmekraftmaschiverbunden, wobei Verbindungen durch Dioden D'\ und ne, in welcher der Stator die Magnetfeldanordnung dar- D"₂ zwischen jedem Ende der Spule 16 und der entge- stellt und der Rotor aufeinanderfolgende Zähne aufgengesetzten Klemme der Stromquelle hergestellt sind. weist, welche der beweglichen Anordnung der oben be-Die Ausführung der F ig. 3 und 4 gewährleistet so so schriebenen Ausführungen entsprechen.

eine bessere Kontinuität des Stroms, welcher einer in

dem Stromkreis der Stromquelle angeordneten BeIa- Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

stung L geliefert wird, da in elektrischen Strom die an

der beweglichen Anordnung sowohl beim Hingang als
auch beim Rückgang ihrer Hin- und Herbewegung ab- 55
genommene mechanische Energie umgewandelt wird.

F i g. 5a und 5b zeigen zwei Ansichten einer gemäß
F i g. 3 und 4 ausgebildeten Maschine. In F i g. 5a und 5b
weist die Maschine einen einzigen Wärmekraftzylinder

11 auf, in welchem sich zwei bewegliche zylindrische 60
Anordnungen 12 bzw. 13 bewegen, welche den beweglichen Anordnungen 3 der vorhergehenden Figuren entsprechea Der Wärmekraftzylinder 11 besitzt Einlaßöffnungen 14 und 15, Auslaßöffnungen 16 und 17 und einen
zentralen Einspritzer 18. Die beweglichen Anordnungen 65

12 und 13 schwingen symmetrisch zwischen einem äußeren Totpunkt, welcher erreicht wird, wenn die entgegengesetzten Seiten der Kolben der beweglichen An-

Claims (8)

1 2 zeichnet, daß der Translator (21,22) in einem unma- Patentansprüche: gnetischen Teil (23,24) angeordnet ist dessen Länge etwa der Länge des Stators (25,26) entspricht

1. Verfahren zur Erzeugung eisktrischer Energie

mit einem elektromechanischen Energiewandler mit 5

einem Stator und einem Translator, mit einem variabel, von der Stellung des Translators abhängigen

magnetisch wirksamen Luftspalt zwischen dem Sta- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtor und dem Translator mit mindestens einer auf tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
dem Stator angeordneten Spule, mit einer an die 10 Bei Wärmekraftmotoren, die keinen Kurbeltrieb auf-Spule anschaltbaren Gleichspannungsquelle, wobei weisen, kann die Hin- und Herbewegung eines Kolbens sich bei Erregung der Spule ein Fluß über den Sta- zur Umwandlung der von der Entspannung der vertor, den Luftspalt und den Translator schließt und brannten Gase herrührenden mechanischen Energie in der Translator periodisch am Stator vorbeiführbar elektrische Energie mittels eines geradlinigen Wechselist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit 15 Stromerzeugers mit Freiflugkolben ausgenutzt werden, der Gleichspannungsquelle (5) verbundene Spule (1) welcher einen beweglichen, fest mit dem Kolben verin einer Arbeitsphase als Arbeitsspule und in einer bundenen Teil und einen festen Teil aufweist, welcher Erregerphase als Erregerspule dient, indem inner- fest mit einem Zylinder verbunden ist, in welchem sich halb einer Periode, in der der Translator (3) am Sta- der Kolben bewegt.

tor (2) votfeeigeführt wird und bei geringem magne- 20 Es sind bereits einphasig betriebene Reluktanzma-

tisch wirksamen Luftspalt (4) die Spule (1) in der schinen bekannt, deren magnetischer Widerstand von

Erregerphase für eine bestimmbare Zeit beginnend der Lage des Polrades abhängt und die eine Wechsel-

zu einem festlegbaren Zeitpunkt mit entgegenge- spannung mit sinusförmiger Grundschwingung crzeu-

setzter Polarität an die Gleichspannungsquelle (5) gen (M. Schmid: Reluktanzmotoren, BBC-Nachrichten

geschaltet wird, wobei die bestimmbare Zeit etwa 25 43, 1961, H. 2, S. 108). Für die Energieerzeugung sind

1 % bis 10% der Periode ausmacht und der festleg- diese Maschinen indessen nicht besonders geeignet,

bare Zeitpunkt so eingestellt ist, daß der Strom in Es ist weiterhin eine Asynchronmaschine zur Erzeu-

der Arbeitsphase mit der durch die Bewegung des gung von Wechsel- bzw. Gleichspannungen bekannt.

Translators (3) bewirkten Änderung des Kehrwertes bei der elektronische Schalter verwendet sind (DE-OS

des magnetisch wirksamen Luftspaltes in Phase ist. 30 23 05 251). Diese Asynchronmaschine wird mit verän-

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens derlichen Drehzahlen und veränderlichen Lasten betrienach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ben, wobei ungeachtet der Drehzahl- und Laständerun-Spule (1) mit ihren Enden (A, B) mit zwei gegenüber- gen entweder die Ausgangsfrequenz oder die Ausliegenden Verbindungspunkts.-, einer Gleichrichter- gangsspannung konstant geregelt wird. Eine solche Re-Brückenschaltung (6a, 6b, Tb) verbunden und die 35 geiung wird weder im Impulsbetrieb durchgeführt, noch Gleichspannungsquelle (5) an die beiden anderen ist sie für eine Energiegewinnung geeignet.
Verbindungspunkte der Gleichrichter-Brücken- Es ist ferner ein Wechselstromerzeuger mit Freiflugschaltung angeschlossen ist, wobei zwei gegenüber- kolben bekannt, der zwei Generatoreinheiten aufweist liegende mit der Anode mit dem positiven Pol und (US-PS 32 34 395). Bei diesem Wechselstromerzeuger mit der Kathode mit dem negativen Pol der Gleich- 40 wird allerdings kein Stromimpuls für eine definierte Zeit Spannungsquelle verbundene Gleichrichter (6a, 6b) durch eine Spule geschickt. Das kapazitive System, das steuerbar sind. die Anordnung gemäß dieser US-PS aufweist, legt eine

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- bestimmte Frequenz und eine bestimmte Arbeitsweise zeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter Thyri- fest, die beide nicht beeinflußbar sind.

stören (Th\, Th'2, Th"i, Th"i) sind. 45 Schließlich ist auch ein geradliniger Wechs'elstromer-

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeuger bekannt, in welchem der bewegliche Teil ein zeichnet, daß die Gleichrichter Dioden (D\,D'i,D"\, Ring aus einem geblätterten ferromagnetischen Si of? D"i) sind. ist, während der feste Teil durch eine Magnetfeldanord-

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- nung gebildet wird, weiche aus einem mit Spulen versezeichnet, daß zur Steuerung der Gleichrichter (6a, 50 henen ebenfalls aus einem geblätterten ferromagneti- f>b) eine Vorrichtung (9) vorgesehen ist, welche für sehen Werkstoff bestehenden Magnetkreis besteht eine definierte Zeit einen Steuerimpuls abgeben (DE-OS 20 59 996). Die Bewegung des beweglichen Rinkann. ges in dem von einem Magnetfluß durchsetzten Ma-

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, da- gnetkreis verändert den dem Durchtritt des Flusses entdurch gekennzeichnet, daß zwei Spulen (la, Ib) vor- 55 gegengesetzten magnetischen Widerstand und verängesehen sind, welche parallel in den Nuten eines dert somit den Fluß innerhalb der Spulen. Die Flußände-Stators (2') so angeordnet sind, daß, bei Unterteilung rungen induzieren in den Spulen elektromotorische der Erzeugung der elektrischen Energie in vier Zeit- Kräfte, so daß einem mit diesen Spulen verbundenen abschnitte, der zweite Zeitabschnitt in der einen Verbrauchernetz ein elektrischer Strom unter Span-Spule dem vierten Zeitabschnitt in der anderen Spu- 60 nung geliefert werden kann. Zur Herstellung einer der-Ie entspricht, und zwar derart, daß die mechanische artigen elektrischen Maschine mit veränderlichem ma-Energie an dem Translator (3) sowohl beim Hingang gnetischem Widerstand benutzt man im allgemeinen als auch beim Rückgang einer Hin- und Herbewe- Magnetkreise, die mit einer Erregerwicklung und einer gung entnommen wird. Entnahmewicklung versehen sind. Die Erregerwicklung

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, da- 65 wird grundsätzlich von einem konstanten Strom durchdurch gekennzeichnet, daß der Translator (3) Teil flössen, welcher den erzeugten mittleren MagnetiluU einer Maschine mit Freiflugkolben ist. erzeugt, der durch die Änderungen des magnetischen

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- Widerstands moduliert wird. Damit die dem System