DE3002527A1

DE3002527A1 - Wechselstrommaschinenanordnung

Info

Publication number: DE3002527A1
Application number: DE19803002527
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Eckenfelder
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1979-02-15
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1980-08-28
Also published as: IT8019807A0; IT1140538B; JPS561755A; GB2043359A; FR2449356A1

Description

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D-8023 München-Pullach. Wiener SG. 2. Ta. (089).7 Ü3 3Ü 71; »ele» 5 2J? 14J¹ brns d: Cables: «Patentibus» München

Anmelderin: THE BSiTOIX CORPORATION, Executive Offices,

Bendix Center, Southfield, Michigan 480 37, USA

Wechs elstrommasehinenanordnung

_IU , . . ■ 24. Januar I98O

Ihr Zeichen: Tag:

Yourref.: 5789" A Date VBÜ/hÖ

BESCHREIBUNG

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf Wechselstrommaschinen und insbesondere auf eine Wechselstrommaschi= nenanordnung, die als bürstenloser Synchronmotor, als bürstenloser Synchrongenerator, als bürstenloser Dreh-= stellungswandler und als bürstenloser Drehmomentwandler arbeitet.

Moderne Flugzeugmaschinen werden beispielsweise unter Verwendung von Luftturbinenanlassern (Motoren) gestartet _t die über einen zusätzlichen Getriebegehäuseanschluß zugänglich sind. Dem Starter wird über pneumatische Ventile Druckluft zugeführt, die aus einer externen Druckluftquelle stammt. Wenn die Maschine angelassen ist, so wird der Luftturbinenstarter von der Energiezufuhr abgetrennt und gleibt inaktiv« Allerdings trägt er weiterhin zum Gesamtgewicht der Maschine bei und beansprucht wertvollen beträchtlichen Raum.

Während des Fluges erhält das Flugzeug elektrische Energie von einem eine konstante Frequenz erzeugenden System, das

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einen Generator für variable Drehzahl und variable Frequenz aufweist, der an die Flugzeugmaschine über einen zusätzlichen Getriebegehäuseanschluß angeschlossen ist sowie einen statischen Frequenzwandler, der die Generatorenergie mit variabler Frequenz in eine Flugzeugsystemenergie mit konstanter Frequenz umwandelt. Wenn die Flugzeugmaschinen abgeschaltet sind, beispielsweise wenn das Flugzeug am Terminal parkt, wird elektrische Energie dem Flugzeug über eine externe Konstantfrequenz-Energieversorgung zugeführt, die allgemein als Bodenenergiewagen bekannt ist, oder als Flugzeug-Hilfsenergieeinheit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen variablen Frequenzwandler zusammen mit einer externen Konstantfrequenz-Energieversorgung zu verwenden, um eine Flugzeugmaschine zu starten und dann einen statischen Frequenzwandler zur Lieferung von Konstantfrequenz-Flugzeugsystemenergie, wodurch das Erfordernis eines Luftturbinenanlassers, einer zugehörigen Leitungsverlegung und einer externen Luftenergiequelle'vermieden wird und wodurch die Vorteile eingesparten Raumes und eingesparten Gewichtes entstehen.

Die Erfindung schafft eine Wechselstrommaschinenanordnung, die aus folgendem besteht: Einer Wechselstrommaschine mit einer Welle und einem Paar elektromagnetischer Anordnungen, von denen jede einen Stator und einen Rotor mit mehrphasigen Wicklungen aufweist, wobei die mehrphasigen Wicklungen des Rotors zur Umdrehung der Phasendrehung verschaltet sind und wobei die Rotoren von der Welle getragen werden; erste Einrichtungen, die eine mehrphasige Ausgangsgröße mit konstanter Frequenz liefern; zweite Einrichtungen, die eine mehrphasige Ausgangsgröße mit variabler Frequenz liefern, einen Antriebsmotor; und eine elektrische Last; wobei die erste Einrichtung mit der Statorwicklung einer der elektromagnetischen Anordnungen verbunden ist, um die Wicklung mit der Konstantfrequenzausgangsgröße zu erregen und wobei zweite Einrichtung mit der Statorwicklung der anderen elektromagnetischen Anordnung verbunden ist, um gleichzeitig die letztge-

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nannte Wicklung mit der Ausgangsgröße mit variabler Frequenz zu erregen, wobei die Winkelstellung der Welle eine Funktion des angelegten mechanischen Drehmomentes ist und proportional zur Phasenwinkeldi.fferenz der Ausgangsgrößen von der ersten und zweiten Einrichtung₉ wenn die Frequenzen der Ausgangs·= größen der ersten und zweiten Einrichtung gleich sind und wobei die Welle sich mit einer Drehzahl proportional der FrequenzdifferesiE der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Einrichtungen dreht_δ wenn die Frequenzen der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Einrichtungen verschieden sind; und wobei die elektrische Last mit der Statorwicklung einer der elektromagnetischen Anordnungen ver= bunden ist, wobei die zweite Einrichtung mit der Statorwicklung der anderen elektromagnetischen Anordnung verbunden ist, um die letztgenannte Wicklung mit einer Ausgangsgröße der Frequenz Null (Gleichspannung) zu erregen und wobei der Antriebsmotor mit der Welle gekuppelt ist₉ wobei die Statorwicklung der einen elektromagnetischen Anordnung eine mehrphasige Ausgangsgröße zu der elektrischen Last liefert*

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher beschrieben. Es zeigt?

Figur 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Wechselstrommaschine der 'erfindungsgemäßen Anordnung °,

Figur 2 ein schematisches elektrisches Schaltbild der Verbindungen der Rotor- und Statorwicklungen der Wechselstrommaschine der erfindunggemäßen Anordnung

Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild, das die erfindungsgemäße Anordnung allgemein darstellt und ihren Betrieb als Motor_s (Dreh)-Stellungswandler oder Drehmomentwandler zeigt ι und

Figur 4 eine schematische allgemeine Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung und eine Darstellung deren Arbeitsweise als Generator.

Die in Figur 1 dargestellte Wechselstrommaschine enthält ein Gehäuse 2, ein Paar elektromagnetischer Anordnungen 4 und 6, eine Welle 8, die beiden elektromagnetischen Anordnungen gemeinsam ist und die in dem Gehäuse an gegenüberliegenden Enden mittels Lagern und Lagerhalterungen 10 und 12 gehalten ist und einen Anschlußblock 14, der an dem Gehäuse befestigt ist und der die elektromagnetischen Verbindungen zu den elektromagnetischen Anordnungen herstellt, wie generell aus der Figur ersichtlich.

Die elektromagnetischen Anordnungen 4 und 6 enthalten geschichtete bzw. geblechte Statorkerne 16 und 18, die in geeigneter Weise in dem Gehäuse 2 gehalten sind und die mehrphasige Statorwicklungen 20 bzw. 22 tragen, weiterhin geschichtete bzw. geblechte Rotorkerne 24 und 26, die mehrphasige RotorwickTungen 28 bzw. 30 tragen und Halteanordnungen 31 und 32, die die entsprechenden Rotorkerne 24 und 26 auf der gemeinsamen Welle 8 halten.

Die Statorwicklung 20 ist mit einer Vielzahl von Phasen gewickelt und besitzt eine ganzzahlige Anzahl von Polpaaren, wie es im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Die Rotorwicklung 28 ist mit einer Vielzahl von Phasen gewickelt, die nicht notwendigerweise die gleiche Phasenzahl wie die Statorwicklung 20 besitzt und sie ist mit einer ganzzahligen Anzahl von Polpaaren versehen, die gleich der der Statorwicklung 20 ist.

In ähnlicher Weise besitzt die Statorwicklung22 eine Vielzahl von Phasen und eine ganzzahlige Anzahl von Polpaaren, die jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Anzahl von Phasen- oder Polpaaren wie bei der Statorwicklung 20 ist.

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Eine elektrische Verbindung 33 zwischen den Rotorwicklungen 28 und 30 ist so vorgesehen, daß die Phasendrehung des Rotors umgedreht wird, wie beispielsweise in Figur 2 dargestellt. Iii diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die in Figur 2 dargestellten Stator-= und Rotorverbindungen lediglich zu Illustrationszwecken als dreiphasige Sternverbindungen dargestellt sind. Andere Mehrphasenwicklungen, die in anderen Konfigurationen verbunden sind, können bei der Erfindung ebenfalls- verwendet werden»

Bei der US-PS 3 179 872 wird eine Wechselstrommaschine der oben beschriebenen Art dazu verwendet, eine Kaskaden-Generatoranordnung zu schaffen. Eine Statorphase wird dort mit Gleichstrom 'erregt,, der eine Dreiphasenspannung mit bestimmter Frequenz in dem zugeordneten Rotor erzeugt„ Diese Spannung wird einem weiteren Rotor mit einer Phasenumkehr übertragen und an den anderen Stator bzw» den Ausgangsstator gekoppelt, und zwar sowohl durch die Übertragerwirkung als auch die Generatorwirkung, die eine Spannung mit einer Ausgangsfrequenz liefert, die das zweifache der in dem erstgenannten Rotor erzeugten ist. Die vorliegende Erfindung verwendet eine ähnliche Wechselstrommaschine bei einer Motoranordnung ₉ wie im folgenden näher beschrieben wird.

In Figur 3 ist die Wechselstrommaschine, die in Figur 1 detaillierter dargestellt ist, allgemein mit dem Bezugszeichen 40versehen^ Die Statorwicklung 20· (Figur 1) der elektromagnetischen Anordnung 4 wird durch eine mehrphasige Konstantfrequenzenergie (dreiphasig dargestellt) von einer externen Energiequelle 41 erregt _s während die Statorwicklung 22 (Figur 1) der elektromagnetischen Anordnung 6 durch die Ausgangsgröße eines variablen Frequenzwandlers 47 (ebenfalls als dreiphasig dargestellt) erregt wird» Der Frequenzwandler 47 wird mittels mehrerer Leitungen 46 von der externen Energiequelle 41 mit Energie versorgt» Bei dieser Anordnung und wenn der variable Frequenzwandler 47 eine Mehrphasen-

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BAD ORIGINAL

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energie mit gleicher Frequenz wie die externe Energiequelle 41 liefert, ist die Drehzahl der Welle 8 synchron auf die Drehzahl Null verriegelt und sie steht bei einem Drehwinkel, der eine Funktion des an die Welle 8 angelegten mechanischen Drehmomentes ist und der weiterhin proportional zur Differenz zwischen dem elektrischen Phasenwinkel der elektromagnetischen Anordnung 4 und dem elektrischen Phasenwinkel der elektromagnetischen Anordnung 6 ist. Bei der selben Anordnung und wenn der variable Frequenzwandler 47 eine mehrphasige Energie mit einer Frequenz liefert, die von der Frequenz der externen Energiequelle 41 verschieden ist, dreht sich die Welle 8 synchron mit einer Drehzahl, die proportional zur Differenz zwischen der elektrischen Frequenz der elektromagnetischen Anordnung 4 und der elektrischen Frequenz der elektromagnetischen Anordnung 6 ist.

Bezüglich des variablen Frequenzwandlers 47 sei erwähnt, daß dieser dem in der US-PS 3 775 662 beschriebenen ähnlich ist, mit Ausnahme,daß die bekannte Einrichtung eine statische Anordnung mit einem Konstantfrequenzoszillator enthält, der die geforderte präzise Frequenzsteuerung liefert, während der Wandler 47 der vorliegenden Erfindung .einen variablen gesteuerten Oszillator enthält, der eine variable Ausgangsfrequenz liefert.

Im folgenden sei auf Figur 4 Bezug genommen, bei der gleiche Teile wie in Figur 3 mit gleichen ßezugszeichen versehen sind. Die in Figur 1 detaillierter dargestellte Wechselstrommaschine ist allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. Die Statorwicklung 20 (Figur 1) der elektromagnetischen Anordnung 4 ist mit einer elektrischen Last 49 (als dreiphasige Last dargestellt) mittels mehrerer Leitungen 48 verbunden. Die Statorwicklung 22 (Figur 1) der elektromagnetischen Aordnung 6 wird von dem Ausgang des variablen Frequenzwandlers 47 (der ebenfalls dreiphasig dargestellt ist) erregt, welcher seinerseits von der externen Energiequelle 41 über Leitungen 46 mit Energie versorgt wird. Die Welle 8 wird von einem Antriebsmotor

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51 angetrieben, der mechanisch über eine geeignete Kupplung

52 mit ihr verbunden ist_o Bei dieser Anordnung und wenn der variable Frequenzwandler 47 eine Energie mit der Frequenz von Null Hz (Gleichströmerregung) wird mehrphasige Energie (dargestellt als dreiphasige Energie) zu der elektrischen Last 49 über die Leitungen 48 geliefert_P die von der Statorwicklung 20 (Figur 1) der elektromagnetischen Anordnung 4 ausgehen, wobei die elektrische Frequenz dieser Energie proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle 8 ist<

Die hier beschriebene Anordnung kann also als bürstenloser Wechselstromdrehstellungsgebers, als bürstenloser Wechselstroia-Drehmomentwandlers, als bürstenloser Wechselstrom-Synchronmotor oder als bürstenloser Wechselstrom»Synchrongenerator verwendet werden« Wenn die erfindungsgemäße Anordnung als Motor/Generator verwendet wird₈ um die Flugzeugmaschine zu starten und darauffolgend elektrische Energie zum letztlichen Verbrauch durch das elektrische Flugzeugsystem zu liefern, so wird die vorteilhafte Vermeidung der bisher benötigten Luftturbinenstarter und der zugeordneten Leitungsverlegung erreicht.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Wechselstrommaschinenanordnung mit einer Wechselstrommaschine, die ein Paar elektromagnetischer Anordnungen (4p 6) aufweist^ von denen.jede einen Stator (16? 18) und einen Rotor (24; 26) mit mehrphasigen Wicklungen (2O₉ 285 22, 30) aufweist, wobei die Rotorwicklungen (28, 30) so verbunden sind₉ daß die Phasendrehung umgekehrt wird„ Weiterhin ist eine Konstant-Frequenzenergiequelle (41) vorgesehen^ sowie ein variabler Frequenzwandler (47), ein Antriebsmotor (51) und eine elektrische Last (49).Diese Anordnung arbeitet ensprechend den (elektrischen) Verbindungen und (mechanischen) Kopplungen der Wechselstrommaschine mit zugeordneten Elementen als bürstenloser Wechselstrom-Drehstellungswandlers, als bürstenloser Wechselstrom-Drehmomentwandler, als bürstenloser

Wechselstrom-Synchronmotor oder als bürstenloser Wechselst rom- Synchrongenerator.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims

Υ/Λ ICIN l/fll WUHU C DKWOC DKWOC ^lngenieure D-8023 Munchen-Pullach. Wiener Str 2; "fet (089) J S3 3Cr7ir"föIex_5 212.«7; brc£ d; Cables »Patentibus» München

Anmelderin: THE BSNiDIX CORPORATION, Executive

Bendix Center, Southfield, Michigan 480 37, USA

IhrZeichen: Tag 24. Januar 1980

Yourref.: 5789-A Date: VBÜ/hÖ

PATENTANSPRÜCHE

1 .J Wechselstrommaschinenanordnung mit einer Wechsel- ^"stroinmaschine, die eine Welle und ein Paar elektromagnetischer Anordnungen aufweist, von denen jede einen Stator und einen Rotor mit mehrphasigen Wicklungen besitzt, wobei die mehrphasigen Wicklungen des Rotors so verbunden sind, daß eine Umkehr der Phasendrehung erfolgt und wobei die Rotorteile von der Welle getragen werden, mit ersten Einrichtungen, die eine Mehrphasenausgangsgröße mit konstanter Frequenz liefern, mit zweiten Einrichtungen, die eine Mehrphasenausgangsgröße mit variabler Frequenz liefern, mit einem Antriebsmotor und einer elektrischen Last, dadurch gekenn= zeichnet , daß die erste Einrichtung (41) mit der Statorwicklung (20) einer der elektromagnetischen Anordnungen (4, 6) verbunden ist und die Wicklung (20) mit der Konstant-Frequenz·= Ausgangsgröße erregt und daß die zweiten Einrichtungen (47) mit der Statorwicklung (22) der * anderen der elektromagnetischen Anordnungen (4_S 6) ver- f bunden sind, die gleichzeitig die letztgenannte Wicklung (22) mit der Ausgangsgröße mit variabler Frequenz erregen»

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wobei die Winkelstellung der Welle eine Funktion des angelegten mechanischen Drehmomentes ist und proportional zur Phasenwinkeldifferenz der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Einrichtungen (41, 47), wenn die Frequenzen der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Einrichtungen (41, 47) gleich sind, und wobei sich die Welle mit einer Drehzahl proportional der Frequenzdifferenz der Ausgangsgrößen dei/ersten und zweiten Einrichtungen (41, 47) dreht, wenn die Frequenzen der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Einrichtungen (41, 47) verschieden sind, und daß die elektrische Last (49) mit der Statorwicklung (20) einer der elektromagnetischen Anordnungen (4, 6) verbunden ist, wobei die zweite Einrichtung (47) mit der Statorwicklung (22) der anderen der elektromagnetischen Einrichtung (4, 6) verbunden ist, wodurch die letztgenannte Wicklung (22) mit einer Ausgangsgröße der Frequenz Null (Gleichstrom) erregt wird, und daß der Antriebsmotor (51) mit der Welle (8) gekoppelt ist, wobei die Statorwicklung (20) der einen elektromagnetischen Anordnung (4) eine mehrphasige Ausgangsgröße zu der elektrischen Last (49) liefert.
2. Wechselstrommaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (47) ein variabler Frequenzwandler ist, der von der ersten Einrichtung (41) mit Energie versorgt wird und eine mehrphasige Ausgangsgröße mit variabler Frequenz liefert.
3. Wechselstrommaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (20) einer der elektromagnetischen Anordnungen (4, 6) eine Vielzahl von Phasen und eine ganzzahlige Anzahl von Polpaaren aufweist und daß die entsprechende Rotorwicklung (28) mit einer Vielzahl von Phasen und einer ganzzahligen Anzahl von Polpaaren versehen ist, die gleich der Polpaarzahl der Statorwicklung (20) ist.

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4. Wechselstrommasehinenanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet _t daß die entsprechende Rotorwicklung (28) eine Vielzahl von Phasen aufweist, die zahlenmäßig gleich der Phasenzahl der Statorwicklung (20) ist_o
5. Wechselstrommaschinenanordnung naoh Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Rotorwicklung (28) eine Vielzahl von Phasen aufweist, deren Anzahl von der Phasenzahl der Statorwicklung (20) unterschiedlich ist»
6. Wechselstrommaschinenanordnung nach den Ansprüchen 1 und dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (22) der anderen der elektromagnetischen Einrichtung^ (4, 6) eine Vielzahl von Phasen aufweist und eine ganzzahlige Anzahl von Polpaaren.
7. Wechslestrommaschinenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (22) der anderen elektromagnetischen Anordnung (6) mit einer Anzahl von Phasen und Polpaaren versehen ist, die gleich der Phasen- und Polpaarzahl der Statorwicklung (20) der einen elektromagnetischen Anordnung (4) ist.
8. Wechselstrommaschinenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (22) der anderen elektromagnetischen Anordnung (6) eine Anzahl von Phasen= und Polpaaren aufweist, die von der Phasen- und Polpaarzahl der Statorwicklung (20) der einen elektromagnetischen Anordnung (4) verschieden ist.
9. Wechselstrommaschinenanordnung nach Anspruch 6₉ dadurch gekennzeichnet, daß die der Statorwicklung (22) der anderen der elektromagnetischen Anordnungen (4, 6) zugeordnete Rotorwicklung (30; eine Vielzahl von Phasen aufweist, die der Anzahl von Phasen der Rotorwicklung (28) der einen elektromagnetischen Anordnung (4) gleich ist und daß die Rotorwicklung

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(30) eine ganzzahlige Anzahl von Polpaaren aufweist, die gleich der Polpaarzahl der Statorwicklung (22) der anderen elektromagnetischen Anordnung (6) ist.

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