DE2748525B2

DE2748525B2 - Elektrische Maschine mit mehreren Rotoren auf ein und derselben Achse

Info

Publication number: DE2748525B2
Application number: DE2748525A
Authority: DE
Inventors: Georges Port Marly Mourier (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2748525A1; FR2369726A1; US4144468A; DE2748525C3; GB1560171A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit mehreren Rotoren auf ein und derselben Achse, die sich im Betrieb um diese Achse drehen, und mit einer Statoranordnung.

Zum Stand der Technik gehören gewisse Strukturen von umlaufenden elektrischen Maschinen, die gestatten, eine gewisse Leistungshöhe mit einer relativ hohen Betriebsfrequenz, die einige Kilohertz erreichen kann, zu vereinigen und gleichzeitig eine gewisse Anzahl von weiteren Eigenschaften zu erzielen, die, je nach Ausführungsform, das Frequenzband, die Belastungsempfindlichkeit, die Änderung der Frequenz in Abhän- gigkeit von der Drehzahl des Rotors, usw. betreffen.

Bei diesen bekannten Strukturen ist vorgesehen, den Stator als Filter zu organisieren, an welchem sich die Pole eines um seine Achse drehenden Rotors vorbeibewegen und an dessen Ausgang insbesondere die verstärkte Welle eines an seinem Eingang eingegebenen Signals gewonnen werden kann (vgl. FR-OS'en 24 667 und 75 34 160).

Sie arbeiten nach Art von in der Höchstfrequenztechnik bekannten Laufzeitröhren, wobei die Statoren die Funktion der Verzögerungsleitung dieser Röhren erfüllen, die durch den umlaufenden. Teil der Maschine erregt wird.

Trotz der neuen Möglichkeiten, die sie bieten, können diese Maschinen gegebenenfalls einen Nachteil mechanischer Art aufweisen: der Stator hat die geometrische und elektrische Symmetrie verloren, die er in den früheren Maschinen aufwies, denn aufgrund der Verstärkung nehmen die Ströme in der Amplitude vom Eingang bis zum Ausgang des Stators zu und der Rotor ist aufgrund dieser Tatsache nicht nur dem unvermeidlichen und notwendigen Bremsmoment ausgesetzt, sondern auch einer sehr starken Kraft, die in dem Koordinatensystem des Stators eine feste Richtung hat Diese Kraft kann in einer Maschine, die eine sehr große Leistung hat Probleme mit sich bringen. Man weiß nämlich, mit welcher Sorgfalt gewöhnlich die umlaufenden Teile von großen Wechselstromgeneratoren ausgewuchtet werden.

Weiter sind Anordnungen bekannt (vgl. FR-OS 75 33 461), die gestatten, den Nachteil bei kleinen Leistungen praktisch zu beseitigen und ihn im Fall von mittleren Leistungen wesentlich zu verringern. Bei Maschinen großer Leistung, deren Rotor vollkommen abgeglichen sein muß, können diese Anordnungen sich aber als unzureichend erweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die sonst auf den Rotor einwirkende Kraft, die im Statorkoordinatensystem eine feste Richtung hat, nicht auftritt, damit die Maschine für große Leistungen ausgelegt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichnen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Maschine nach der Erfindung ist der Stator als eine Leitung ausgebildet, die aus einer Reihe von Filtern besteht, die Rotoranordnung und die Statoranordnung bilden ein symmetrisches System und ein in den Eingang des Stators eingegebenes Wechselstromsignal wird verstärkt. Die bei den bekannten Maschinen aufgrund der Unsymmetrie der Statoranordnung auf den Rotor einwirkende Kraft kann somit bei der Maschine nach der Erfindung nicht auftreten und diese Maschine kann daher für große Leistungen ausgelegt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Gesamtschema einer Maschine nach der Erfindung, und

die F i g. 2 bis 4 die Schaltbilder von drei Ausführungsformen der Maschine nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt schematisch und im Schnitt eine Maschine nach der Erfindung, die zur Erleichterung der Beschreibung als Beispiel gewählt worden ist. Dieses Beispiel ist nicht als Einschränkung zu verstehen.

Auf einer gemeinsamen Achse 1 befinden sich

mehrere elektrisch getrennte Rotoren 2, 3, 4 11,

welchen ebensoviele Statoren 12, 13, 14, .... 21 gegenüberliegen. Jeder Rotor und jeder Stator ist durch den Schnitt seines Volumens mit der Zeichenebene dargestellt, wobei dieser Schnitt aus zwei in bezug auf die Achse 1 symmetrischen Rechtecken besteht. Jeder Stator ist in der üblichen Technik der Wechselstromgeneratoren ausgebildet.

F i g. 1 zeigt die elektrische Verschaltung der Statoren

der Maschine nach der Erfindung in dem Fall eines Betriebes mit Einphasenstrom, der gewählt worden ist, uin einen Anhaltspunkt zu geben.

Die Wicklungen der Pole jedes Stators sind mit zwei Leitern 22 und 23 verbunden. Ober diese Anschlüsse sind die Statoren, die sich im wesentlichen wie Selbstinduktivitäten verhalten, mit Kondensatoren 24 so verbunden, daß sie eine Verzögerungsleitung bilden. In dem Beispiel von F i g. 1 stellt diese Verzögerungsleitung ein Tiefpaßfilter dar. Ausgehend von einem Ende, hier dem linken, ist der erste von den Leitern 22 außerdem elektrisch mit einer Klemme 25 verbunden, die mit einem der Enden eines gemeinsamen Leiters, in dem vorliegenden Beispiel der Masse, den Eingang bildet, über den der zu verstärkende Einphasenstrom in die Maschine eingeleitet wird. Der letzte von den Leitern 23 ist mit einer der Ausgangsklemmen 26 einer Einphasenschaltung verbunden, deren andere Klemme mit Masse verbunden ist, die den verstärkten Strom empfängt Die so gebildete Verzögerungsleitung überträgt auf diese Weise zu dem Verbraucher, der sich in F i g. 1 rechts befindet, die links durch einen geeigneten Generator angeregten Ströme, wobei jegliche Berücksichtigung der Einwirkung des Rotors auf dieses Filter außer Betracht gelassen wird.

Die Erfindung ist ebenso gut bei einem als Filter ausgebildeten Stator anwendbar, bei welchem es sich nicht um ein Tiefpaßfilter handelt Ebenso ist die Erfindung bei Mehrphasenströmen anwendoar. In letzterem Fall enthält die Maschine pro Phase eine so Anordnung von Kondensatoren, wie beispielsweise die oben genannte Anordnung der Kondensatoren 24, sowie eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme pro Phase (z. B. die obenerwähnten Klemmen 25 und 26). Ji

Demgemäß kann die Betriebsweise der Maschine nach der Erfindung anhand des gewählten Ausführungsbeispiels folgendermaßen dargelegt werden.

Bekanntlich wird unter dem Einfluß der Bewegung

des Rotors die Selbstinduktivität jedes Stators 12,13 21 innerhalb jedes Maschinenelements, das aus einem Rotor und dem ihm gegenüberliegenden Stator besteht, beispielsweise dem Rotor 2 und dem Stator 12, modifiziert, weil in Reihe mit dieser induktivität eine komplexe Impedanz auftritt. Für die Impedanz Zs von jedem dieser Statoren, die ?ur Vereinfachung alle als gleich angenommen worden sind, kann dann geschrieben werden:

Z₅ = jL_sa, + R (ω, Ω) + jX (_ω, Ω),

wobei L_s die Selbstinduktivität des bewußten Stators und R und X die beiden Glieder der komplexen Impedanz darstellen, die von der Kreisfrequenz ω der in den Eingang der Maschine eingegebenen Wechselstromsignale (ω = 2 π f, wobei / die Frequenz dieser Signale ist) und von der Kreisfrequenz Ω des Rotors abhängig sind.

Der Widerstand R und die Reaktanz X besitzen darüber hinaus die Eigenschaften, im Absolutwert wesentlich kleiner als Lfa zu sein und die beiden Vorzeichen + oder — haben zu können.

Insbesondere gibt es für jeden Wert der Kreisfrequenz ω ein zwischen zwei Grenzwerten ßi und Ω2 gelegenes Intervall von Drehgeschwindigkeiten des Rotors, für das der Widerstand R negativ ist Dieses Drehgeschwindigkeitsintervall befindet sich bei und eher oberhalb der Synchronwinkelgeschwindigkeit ß* Diese ist bei Einphasenstrom gleich der Kreisfrequenz ω der Ströme, dividiert durch die Polpaarzahl des Rotors und des Stators.

Das Vorhandensein des negativen Widerstandes R verleiht der Maschine nach der Erfindung Verstärkungseigenschaften, wie aus dem folgenden ersichtlich werden wird:

Die Anordnung der Statoren 12 und 21 kann nämlich als eine Schaltung aus aktiven Filtern mit kaskadierten π-Gliedern angesehen werden, die in F i g. 2 dargestellt ist.

Die Eigenschaften dieser Schaltung können durch zwei Parameter zusammengefaßt werden, nämlich den Wellenwiderstand Z_c der durch die Statoren und die Verbindungselemente (Kondensatoren 24) gebildeten Gesamtleitung und der Phasenverschiebung φ jedes der Glieder der Schaltung oder der Einheitsphasenverschiebung.

Für die Phasenverschiebung φ ergibt sich mit den herkömmlichen Formeln für eine rein kapazitive

Queradmittanz-y (mit Y, =jC<n):

sin 4- = — --.-

y, = -- mc,,,²-je,

wobei φ in dem Betriebsband zwischen 0 und π liegt.

Diese Gleichung zeigt die Verstärkungseigenschaften jedes Maschinenelemente. Sie lassen sich in dem Fall der niedrigen Frequenzen des Bandes, d. h. für φ klein, leicht präzisieren, indem beachtet wird, daß in diesem Fall im wesentlichen, mit R und X klein gegenüber der Induktivität Lju des Stators, gilt:

Z L,C o,² +CmX - j C <„ R

^CX

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Dieser Ausdruck zeigt tatsächlich, daß in dem Ausdruck der Einheitsphasenverschiebung +φ ein positiver Imaginärteil in dem gesamten Drehgeschwindigkeitsintervall des Rotors von ß| bis Ω2 vorhanden ist, in welchem R negativ ist, d. h. ein Einheitsverstärkungsfaktor:

'C

L,

für eine Welle, die durch folgenden Ausdruck dargestellt wird:

bo Die Bestimmung + entspricht dem Wert der Phasenverschiebung im Innern jedes Gliedes des Filters in der Richtung der Ausbreitung der Welle, d. h. in der Zeichnung von links nach rechts, während die Bestimmung — dem der Phasenverschiebung in der entgegengesetzten Richtung entspricht.

Die vorgenannte Phasenverschiebung wird mit der Anzahl von Maschinenelementen oder Gliedern des Filters multipliziert, so wie die Verstärkung, deren

Faktor als Ausdruck für die gesamte Maschine mit N Rotoren und N Statoren, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, hat:

So wird durch die Hinzufügung der Speicher- und Phasenverschiebungselemente 24 in F i g. 1 zwischen den verschiedenen Statoren 12 bis 21 (oder Statorteilen) der Maschinenelemente eine Verstärkung unter den oben angegebenen Bedingungen hervorgerufen. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Elemente weist die Maschine nach der Erfindung eine doppelte Symmetrie auf, die aus einer Symmetrie um φε Achse jedes Maschincnclcrncnis, das aus einem der Rotoren und dem entsprechenden Stator besteht, und aus einer periodischen Wiederholung längs dieser Achse besteht. Die Welle, die sich in jedem Maschinenelement ausbildet, wird zu derjenigen des vorhergehenden Maschinenelements addiert und zu dem nächsten übertragen, und zwar dank der Phasenverschiebung, die durch die Kapazitäten hervorgerufen wird. Die Addition der Elementarleistungen erfolgt in der Richtung des Ausgangs in Phase. Darin liegt die Verstärkung.

Die Verstärkung erfolgt mit der gegebenen Drehgeschwindigkeit Ω der Rotoren in dem Intervall der Frequenzen f, in welchem der Widerstand R negativ bleibt, d. h. für Kreisfrequenzen ω, die zwischen den beiden Grenzwerten coi und 0)2 liegen. Diese Grenzwerte legen das Verstärkungsband des Systems bei konstanter Drehgeschwindigkeit Ω fest.

Die vollständige Berechnung zeigt, daß dieser Effekt auch bei fast jeder Bandbreite ausgenutzt werden kann, die im allgemeinen viel größer ist als die des Filters, das aus den Statoren und den Kapazitäten besteht, indem Ω verändert wird. Diese Bandbreite hat einen Wert von etwa:

Als Beispiel sind bei den vorstehenden Darlegungen rein kapazitive Elemente 24 angenommen worden. Im Rahmen der Erfindung können diese Elemente auch Resonanzkreise sein, die eine Induktivität L₁ parallel mit einem Kondensator enthalten. Diese Kreise wurden zwischen die Induktivitäten L_s des Stators, die mit der Bezugszahl 100 bezeichnet sind, und den gemeinsamen Leiter 200 geschaltet, wie F i g. 3 zeigt.

Die Bezugszahl 110 bezeichnet in Fig.3 die Induktivität L₁ während die Bezugszahl 120 den Kondensator jedes Schwingkreises bezeichnet. Bei dieser Schaltung ist die Bandbreite der Maschine in bezug auf den vorangehenden Fall kleinen Dagegen wird bei gegebener Eingangsleistung die in jedem Glied gespeicherte Energie erhöht und die Verstärkung pro Glied wird ebenfalls erhöht, ebenso wie die Gesamtverstärkung der Maschine.

Mit den Maschinen nach der Erfindung ist es möglich, durch Einwirkung auf die Drehgeschwindigkeit des Rotors das Verstärkungsband zu steuern und schnell zu verschieben.

Die Maschinen nach der Erfindung gestatten, bei Hochfrequenzen, insbesondere von einigen Kilohertz, Leistungen zu erzielen, die die Leistung einer bekannten Maschine, wie z. B. eines der Maschinenelemente 2. 12 von Fig. 1, und auch die Leistung der bekannten HF-Generatoren sehr wesentlich übersteigen. Sie finden Anwendung bei der Herstellung von HF- oder Funksendern großer Leistung.

5 Oben ist angegeben worden, daß die Statoren der Maschine nach der Erfindung die bekannte Struktur der Statoren der bekannten umlaufenden Maschinen aufweisen.

Es ist andererseits keine besondere Annahme über

ίο den Aufbau ihrer Rotoren getroffen worden, der der gleiche sein kann wie bei den üblichen umlaufenden Generatoren. Der Aufbau dieser Rotoren kann sich auch an den aus der FR-OS 74 24 667 bekannten Aufbau anlehnen: der Rotor hat eine Wicklung pro Pol und jede Wicklung ist mit einer großen Kapazität verbunden. In einer weiteren Ausführungsfonn nach der Erfindung ist jede Wicklung des Rotors mit einem Widerstand verbunden, entsprechend der FR-OS 75 34 160. Schließlich kann in weiteren Ausführungsformen der Rotor alle in der FR-OS 75 34 160 beschriebenen Formen annehmen. Alle diese Ausführungsformen der Maschine liegen im Rahmen der Erfindung.

Vorstehend ist aus Vereinfachungsgründen angenommen worden, daß alle Kondensatoren 24 die gleiche Kapazität haben. In diesem Fall nimmt infolge der Periodizität der Maschine längs der Achse die in jedem Statorelement gespeicherte Energie vom Eingang zum Ausgang der Maschine hin zu, was in dem Fall, in welchem die Maschinenelemente, die die Maschine

jo bilden, aus naheliegenden Vereinfachungsgründen alle gleich gewählt sind, übermäßige Abmessungen und eine übermäßige Metallmasse für die ersten von ihnen zur Folge hat.

Zur Materialeinsparung kann eine andere Anordnung

J5 getroffen werden. Diese Anordnung liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Sie ist unten für den Fall einer Maschine beschrieben, deren Stator ein Tiefpaßfilter ist, wie das Tiefpaßfilter in dem vorangehenden Beispiel das aus Statorelementen besteht, die alle gleich sind und die gleiche Impedanz Z, aufweisen. Diese Ausführungsform enthält, im Gegensatz zu der der weiter oben beschriebenen Ausführungsfonn, Verbindungskondensatoren, welche eine Kapazität C_n aufweisen, die vor einem Glied des Filters zum nächsten veränderlich ist.

wobei η die Stelle des Gliedes bezeichnet, gezählt ab dem Eingang der Maschine. In dieser Ausführungsfonn wird angenommen, daß die Glieder impedanzangepaßt sind und daß die Ströme in den Statorelementen, d. h. in den Selbstinduktivitäten L₅ alle den gleichen Absolutwert |/| haben. Alle Statorelemente arbeiten dann, bis auf die Phase, in gleicher Weise, wobei jedes eine Einheitsleistung P_u zu dem Betrieb der Maschine beiträgt

Der Wert der Kapazität C_n wird an einem Beispiel bestimmt, indem das Filter betrachtet wird, das aus dem Stator besteht, der gemäß Fig.4 aus T-Gliedera gebildet ist In Fig.4 bezeichnen V_n und V_n+] die Spannungen an den Klemmen der Glieder der Stelle l bzw. π + 1 und I_n und /„+i die Ströme in den Impedanzen Z₅ dieser Glieder.

Die Leistung an den Klemmen des Gliedes der Stelle π ist

P.-4-IKJ-M

und die an den Klemmen der Zelle der Stelle η +
ist:

was, mit P_n+1 = P_n + P„, nach vorstehendem ergibt: ■> P

.J-IKJ= _Tit und Z_{1 + 1}-Z_n =

(D

wobei Z_n den Wellenwiderstand des Gliedes der Stelle η bezeichnet. Die Gleichung (1) zeigt, daß die Wellenwiderstände der aufeinanderfolgenden Glieder in einer artihmetischen Reihe liegen.

Für den Wellenwiderstand eines Gliedes kann für ein T-Filter, wie das von F i g. 4, geschrieben werden:

4 I

4 I C_n
d. h. bis auf die zweite Ordnung:

V ~C '
Unter der Annahme schließlich, daß die in den

Eingang der Maschine eingegebene Leistung auch gleich der Einheitsleitung P₁₁ ist, gilt gemäß der Gleichung(l):

7 =

und infolgedessen:

Der letztgenannte Ausdruck gibt das Gesetz der Änderung der Kapazitäten der Verbindungskondensatoren für eine besondere Version der Ausführungsform der Maschine an, deren Stator aus einem Filter besteht, dessen Glieder untereinander nicht gleich sind. Er zeigt die Möglichkeit, die Kapazitäten C_n so zu wählen, daß die gespeicherte Energie in allen Statorelementen die gleicheist.

Das Volumen dieser Kapazitäten ist in diesem Fall von einem Ende der Maschine zum anderen konstant.

Als Beispiel sei angegeben, daß mit den Maschinen nach der Erfindung Dauerleistungen in der Größenordnung von zehn Megawatt bei einer Frequenz von 5 kHz in einem Verstärkungsband (ωι, it)2) mit einer Breite von 20% um diese Frequenz realisierbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine mit mehreren Rotoren aui' ein und derselben Achse, die sich im Betrieb um diese Achse drehen, und mit einer Statoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoranordnung aus Statorelementen (12, 13, 14 ... 21) besteht, die jeweils gegenüber einem der Rotoren (2, 3,4... 11) angeordnet und jeweils Selbstinduktivitäten elektrisch äquivalent sind, und daß den Statorelementen Speichereinrichtungen (24; UO₁ 120) zugeordnet sind, so daß kaskadierie Glieder gebildet sind, die jeweils ein Statorelement enthalten und durch die nacheinander eine Welle von an den Eingang (25) des ersten von ihnen angelegten Wechselstromsignalen hindurchgeht

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktivitäten jeweils mit einer der Selbstinduktivitäten von jedem der anderen Statorelemente (12, 13, 14 ... 21) in Reihe geschaltet sind, daß die Selbstinduktivitäten über die Speichereinrichtungen (24; 110, 120) mit gemeinsamen Leitern verbunden sind, welche jeweils mit den untereinander in Reihe geschalteten Selbstinduktivitäten eine Leitung bilden, die zwei Eingangsklemmcn (25) und zwei Ausgangsklemmen (26) aufweist, und daß an die Eingangsklemmen ein Wechselstromsignalgenerator und an die Ausgangsklemmen eine Belastung angeschlossen ist, in der die Welle gewonnen wird, die den Signalen entspricht, welche sich über die Leitung ausgebreitet haben.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtungen Kondensatoren (24) sind.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtungen Schwingkreise (110,120) sind.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensa toren (24) alle gleich sind.

6. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der Kondensatoren (24) vom Eingang zum Ausgang der Maschine hin abnehmen.

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