DE3004752A1

DE3004752A1 - Elektrischer generator

Info

Publication number: DE3004752A1
Application number: DE19803004752
Authority: DE
Inventors: Iii James F Murray
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1980-02-08
Publication date: 1980-08-21
Also published as: GB2045983A

Description

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE Grupe - Pellmawn ■ - n-^p!"~S?" ^HV _r-m·

_ Dipl.-Chem. G. Buhling

30047 5 2 Dipl.-Ing. R. Kinne

Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2 Tel.: 089-5396 53 Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent München

8. Februar 1980

DE 0211 / case 2.0-005

JMlES F. MURRAY, III DeTour, Michigan / USA

Elektrischer Generator

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und betrifft insbesondere einen elektrischen Generator, welcher Steuerwicklungen aufweist, die zum Regeln der Größe der von dem elektrischen Generator erzeugten Ausgangsspannung verwendet werden . · «

In elektrischen Generatoren dieser Art sind Einrichtungen, üblicherweise eine Rotoranordnung vorgesehen, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Rotoranordnung wird durch eine Primärquelle, wie einen Motor, gedreht. Durch die Drehbewegung der Rotoranordnung schneidet das Magnetfeld die Ausgangswicklungen einer Statoranordnung, die mit der Rotoranordnung zusammenarbeitet, wobei dann durch das sich bewegende Magnetfeld eine elektrische Spannung in den Ausgangswicklungen induziert wird, welche Spannung eine Funk-

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' tion der Stärke des Magnetfeldes und der Drehgeschwindigkeit der Rotoranordnung ist.

Der Hauptbeitrag zu der in den Statorwicklungen erzeugten Spannung ist die Größe des Flußfeldes. Wenn ein Dauermagnet in dem Feldaufbau verwendet wird und die Spannung aus irgendeinem Grund geändert werden soll, ist bis jetzt keine brauchbare Einrichtung bekannt, um dies zu erreichen. Dies ist auch der Unterschied'zu elektrischen Generatoren mit '0 einem gewickelten Rotor, bei welchen der Fluß durch Steuern der Größe des Stroms in der Rotorwicklung gesteuert werden kann. Ferner kann der Ausgang des elektrischen Generators mittels eines Leistungsreglers gesteuert werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der Leistungsregler die volle Ausgangsleistung überwachen muß und obendrein eine kostspielige, komplizierte Schaltung erfordert.

Gemäß der Erfindung ist ein elektrischer Generator mit zu-

sammenarbeitenden Rotor- und Statoranordnungen geschaffen, wobei die eine der Anordnungen ein im wesentlichen kreisförmiges ferromagnetxsches Teil mit einem Paar aufgebrachter Steuerwicklungen aufweist. In die Steuerwicklungen wird ein Gleichstrom geleitet, um einen Fluß·in dem ring-

förmigen Teil zu erzeugen, um so dessen Permeabilität zu ändern, welche wiederum die Spannung beeinflußt, die in den Ausgangswicklungen erzeugt worden ist, welche auf das ferromagnetische Teil gewickelt sind, und welche die Größe der durch die Ausgansgwicklungen erzeugten Spannung ändert

Der Dauermagnet kann einen Teil des Stators bilden. Die Rotoranordnung würde dann Ausgangs- und Steuerwicklungen aufweisen, die auf einem ferromagnetischen Kern aufge-

bracht sind. Ein Steuerstrom kann dann mittels herkömmli-35

eher Einrichtungen, wie beispielsweise über .Schleifringe an die Steuerwicklungen angelegt werden. Ferner können in

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einem toroidförmigen Teil die Ausgangs- und Steuerwicklungen einen Teil der Statoranordnung bilden. Die Steuerwicklungen sind an entgegengesetzte Polaritäten angeschlossen, so daß irgendwelche Spannungen, die in den Wicklungen aufgrund des Magnetfeldes erzeugt worden sind, das die Steuerwicklungen überstreicht, wirksam annuliert sind.

Gemäß der Erfindung ist somit ein elektrischer Generator geschaffen, mit einer Rotoranordnung und einer damit zusammenwirkenden Statoranordnung, die relativ zueinander drehbar sind, wobei eine der Anordnungen eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufweist, das zu der anderen Anordnung hin ausgerichtet ist, und die andere der Einrichtungen ein Teil aus einem Material mit einer nichtlinearen Permeabilität aufweist, mit Ausgangswicklungen auf dem Teil zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangs, der auf die Bewegung des Magnetfeldes anspricht, das infolge der relativen Drehbewegung zwischen den Rotor- und Statoranordnungen an den Ausgangswicklungen vorbeiläuft, und mit einer Steuereinrichtung mit einer Gleichstromversorgung und einer Steuerwicklung auf dem Teil, welche auf die Gleichstromversorgung ansprechen, um einen Magnetfluß geforderter Größe in dem Teil einzuleiten, um den Pegel des durch die Ausgangswicklung erzeugten Ausgangs zu ändern.

Hierbei ist das Teil vorzugsweise ringförmig·ausgebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen dargestellt. Es zeigen:
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Fig.1a eine vereinfachte schematische

Schaltung eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators herkömmlicher Ausführung mit einem Dauermagneten;

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Fig.1b einen Teil eines Dreiphasen-

Stators, welcher in dem elektrischen Generator der Fig.1a verwendet werden kann;

Fig.2a einen Teil des in Fig.1b darge

stellten Stators, bei welchem gezeigt ist, wie die Steuerwicklungen gemäß der Erfindung angeordnet sein können;

Fig.2b ein Schaltbild eines Wechsel

stromgenerators mit einem Dauermagnetrotor, wobei toroiodförmige Ausgangswxcklungen verwen

det sind;

Fig.2c einen Wechselstromgenerator mit

einer abgewandelten Ausführung im Vergleich zu der in Fig.2a

dargestellten Ausführung, wobei strangförmige Ausgangswicklungen verwendet sind;

Fig.2d eine ins Einzelne gehende Dar

stellung eines Teils einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Wechselstromgenerators gemäß der Erfindung, bei

^ou welchem die Steuerwicklungen

gemäß der Erfindung einen Teil der Rotoranordnung bilden;

Fig.3a eine schematische Schaltung

eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators mit einer Schaltung

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' zur Vollweggleichrichtung des

dreiphasigen Ausgangs;

Fig.3b eine schematische"Schaltung

einer Rückkopplungsschaltung,

welche bei dem Wechselstromgenerator gemäß der Erfindung verwendet werden kann, um die Größe des Stroms zu steuern, der '" von dem Wechselstromgenerator

an die Last abgegeben wird; und

Fig.3c eine schematische Schaltung

einer Rückkopplungsschaltung, welche als Schutzeinrichtung bei dem Wechselstromgenerator gemäß der Erfindung verwendet werden kann.

Fig.1a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators 10, bei welchem die Erfindung angewendet werden kann. Der Wechselstromgenerator weist einen Dauermagnet-Rotor 11 auf> der um die

gestrichelt dargestellte Achse gedreht werden kann. Der Rotor ist von einer Statoranordnung in Form eines ringförmigen Teils umgeben, welches dazu dient, den von dem Dauermagnet-Rotor 11 erzeugten Magnetfluß auf eine vorbestimmte Bahn oder auf vorbestimmte Bahnen zu konzentrie-30

ren. Bei dem Dreiphasen-Wechselstromgenerator der Fig.1a sind drei gesonderte Wicklungen 12a bis 12c um dieses Teil herumgewickelt. Das eine Ende jeder der Wicklungen ist elektrisch mit einem gemeinsamen oder neutralen Anschluß verbunden, welcher als gemeinsamer Leiter 13 dargestellt ist. Die anderen Enden 12a-1, 12b-1 und 12c-1 der Wicklungen sind mit einer Dreiphasen-Last verbunden (die

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DE 0211 der Einfachheit halber nicht dargestellt ist.).

Die Statorausgangswicklungen 12a bis 12c sind vorzugsweise in Nuten des Statoreisens angeordnet, wie am besten aus Fig.1b zu ersehen ist. In Fig.1b ist ein Teil des Wechselstromgenerators 10 der Fig.1a vergrößert dargestellt. Das ringförmige Teil 14 ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet, das beispielsweise Siliziumstahl sein kann. Es kann'jedoch auch ein anderes Material mit hoher Permeabilität verwendet werden. Vorzugsweise werden laminierte Platten verwendet, um die Wirbelstromverluste auf ein Minimum herabzusetzen. Das Teil 14 wird nachstehend als Statoreisen bezeichnet, wobei dieser Begriff sowohl die kompakten als auch die laminierten Ausführungen mit umfaßt.

Das Statoreisen 14 weist eine Anzahl Nute 14a, und zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten ist ein Zahn festgelegt. Die einzelnen Nute sowie die einzelnen Zähne sind im we-

sentlichen identisch. Teile der Ausgansgwicklungen 12a und 12b sind um bestimmte, ausgewählte Zähne gewickelt. Die elektrischen Anschlüsse der Ausgangswicklungen sind der Einfachheit halber weggelassen. Die Zähne 14b verlaufen radial nach innen, und ihre innersten Flächen sind nahe bei

den Polen des Dauermagnetrotors 11 angeordnet, um dazwischen einen kleinen, aber gleichförmig bemessenen Luftspalt zu schaffen.

In Fig.1b ist ein magnetischer Nordpol N des Dauermagnetrotors 11 dargestellt. Der durch Pfeile A1 angedeutete Magnetfluß tritt aus dem Nordpol N des Dauermagnetrotors 11 aus, durchquert den Luftspalt 15 und tritt in die Zähne 14b ein, welche dazu dienen, den Fluß zu konzentrieren. Der Fluß wird über die Zähne radial nach außen und in das rückwärtige Eisen 14c geleitet, wie durch einen Teil A2 der Kraftlinien dargestellt ist. Wie aus Fig. 1b zu ersehen ist,

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teilt sich der Kraftfluß im wesentlichen gleichmäßig und in entgegengesetzten Richtungen auf, wie durch Kraftlinien Λ3 und A4 dargesteLlt ist.

^ Obwohl es nicht, dargestellt ist, kehrt der Magnetfluß in dem magnetischen Südpol des Dauermagnetrotors 11 zurück.

Bei einer Drehung des Dauermagnetrotors wird eine Wechselspannung in den Statorwicklungen 12 erzeugt, wodurch ein dreiphasiger Wechselstromausgang erzeugt wird. Die Phasenbeziehung ist durch die Lagen der Ausgangswicklungen 12 festgelegt. Erforderlichenfalls kann der von den Statorwicklungen 12a bis 12c entnommene Ausgang gleichgerichtet werden, um dann am Ausgang eine Gleichspannung zu erhalten.

Obwohl die dargestellte Ausführungsform ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator ist, können die vorstehend angeführten Grundsätze bei Einphasen- bis Mehrphasenmaschi nen angewendet werden, wobei mehrphasig kleiner oder größer als

dreiphasig sein kann.
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Die in den Statorwicklungen erzeugte Spannung ergibt sich aufgrund der Relativbewegung zwischen dem durch den Dauermagnetrotor 11 erzeugten Magnetfeld und den Statorwicklungen 12, und die Größe der erzeugten Spannung'ist zu der Größe des Magnetflusses proportional, der durch den Dauermagnetrotor 11 erzeugt wird. Wenn die Größe der Ausgangsspannung bei dem elektrischen Generator der Fig.1b geändert werden soll, gibt es, abgesehen von der Erfindung, bis jetzt noch keine brauchbare und noch dazu wirksame Einrichtung, um dies zu erreichen. Hierin liegt auch der Unterschied zu Wechselstromgeneratoren mit einem elektromagnetischen Feld, das durch eine gewickelten Rotor erzeugt worden ist, wobei dann die Flußgröße gesteuert werden kann. Der von einem Dauermagneten ausgehende Fluß ist

jedoch nicht ohne weiteres durch geradeaus wirkende Verfahren (straight-forward techniques) steuerbar. Obwohl es Ein-

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richtungen zum Steuern des Flusses gibt, sind diese Einrichtungen sehr viel komplizierter als die nachstehend beschriebene Erfindung.

Als weitere Möglichkeit einer Regelung können Leistungsregler zwischen dem Ausgang des Wechselstromgenerators und der damit versorgten Last vorgesehen sein. Bei derartigen Leistungsreglern muß jedoch die gesamte Leistung des Wechselstromgenerators elektronisch verarbeitet werden, weshalb diese Einrichtungen teuer und kompliziert sind. Die Regeleinrichtung gemäß der Erfindung ist im Aufbau einfacher als die vorbeschriebenen Einrichtungen, ist auch preiswerter, arbeitet zuverlässiger und weist verschiedene andere Vorteile auf, die nachstehend noch beschrieben werden.

Wie oben ausgeführt, tritt das Magnetfeld des Dauermagnetrotors 11 in das Statoreisen bzw. den Stator ein und wird durch den Statoreisenteil 13c hinter die Nute 14a geleitet. Obwohl sich der gesamte Fluß des Dauermagnetorotors 11 infolge der Nutöffnungen leicht als Funktion einer Rotorstellung ändert (wobei die Kraftlinien im Bereich der Nute 14a zwischen den Zähnen 14b zu beachten

sind) ist die Änderung normalerweise klein. Der durch den nc.

Dauermagnetrotor erzeugte Gesamtfluß ist somit im wesentlichen konstant.

In Viechseistromgeneratoren der vorbeschriebenen Art ist der Hauptwiderstand für den Magnetfluß auf seinem Weg in

das Statoreisen der Luftspalt 13, da der Luftspalt einen erheblich höheren magnetischen Widerstand (d..h. eine niedrigere Permeabilität) als das Statoreisen aufweist. Beispielsweise ist diePermeabilität von Stahl üblicherweise mindestens 2000 bis 6000 mal größer als die Permeabilität C

von Luft. Die Teile der Magnetflußbahn ,die.durch das Statoreisen zwischen den Nord- und Südpolen des Dauermag-

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netrotors 11 verlaufen, finden infolge der viel höheren Permeabilität des Statorkerns einen viel geringeren magnetischen Widerstand (d.h. eine viel niedriger Reluktanz) vor, obwohl die Bahnlänge durch das Statoreisen langer ist als die Bahnlänge in dem Luftspalt. Umgekehrt gilt, daß die Reluktanz des Luftspalts mehrmals"größer ist als die Reluktanz des Eisenkerns. Aus diesem Grund wird der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator in der Praxis so klein wie möglich gewählt.

Bei der Erfindung wird die Permeabilität von Teilen der Magnetflußbahn, vorzugsweise in dem Statoreisen, mittels gleichstromerregter Steuerwicklungen reguliert, die auf dem Statoreisen vorgesehen sind. Bei einer Herabsetzung der Permeabilität des Statoreisens wird der Fluß kleiner, welchen das Statoreisen übertragen kann und dadurch wird die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators kleiner, womit die Basis für ein genaues Regeln des Wechselstromgeneratorausgangs geschaffen ist, indem der in die Steuerwicklungen geleitete Gleichstrom gesteuert wird.

In Fig.2a ist eine vereinfachte Darstellung des Stators 14 gezeigt, auf welchen eine Anzahl Steuerwicklungen 16 gewickelt sind; die Steuerwicklungen sind auf den ringförmigen Stator in toroider Form gewickelt. Selbstverständlich kann der Stator auch ein zylindrisch geformtes Teil mit einer bestimmten Axiallänge sein. Die Statorzähne schaffen, wie dargestellt, eine brauchbare, vorteilhafte Einrichtung bei der Formung und Ausbildung der Steuerwicklungen 16.

^ου Eine (nicht dargestellte) Gleichstromquelle ist mit den toroidförmigen Wicklungen verbunden. Der in den toroidförmigen Wicklungen 16 erzeugte Gleichstrom erzeugt seinerseits einen Magnetfluß in dem rückwärtigen Teil 14c des Stators 14, welcher vor der Sättigung nur einen vorbe-

stimmten Teil des Magnetflusses überträgt. Je mehr Fluß in den rückwärtigen Teil 14c des Stators geleitet wird, umso

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' größer ist der Widerstand (die Reluktanz) auf den Fluß, der von dem Dauermagnetrotor 11 in das Statoreisen gerichtet ist und umso kleiner sind die induzierten Spannungen in den Ausgangswicklungen.

Die Hauptwicklungen des elektrischen Generators, in welchen die Ausgangsspannungen erzeugt werden und durch welche die Ausgangsströme fließen, können entweder toroidförmige oder strangförmige Wicklungen sein, was jeweils von '0 dem besonderen Anwendungsfall abhängt. Ein elektrischer Generator, bei welchem die elektronische Spannungssteuereinrichtung gemäß der Erfindung verwendet ist, ist im einzelnen in Fig.2b dargestellt; hierbei weist der elektrische Generator 10 einen Dauermagnetrotor 11 mit einem

Nordpol (N) und einem Südpol (S) und eine Statoranordnung mit einem toroid- bzw. ringförmigen Teil 14, welcher das Statoreisen aufweist, und ein Paar toroid- bzw. ringförmiger Wicklungen 12a und 12b auf. Die Enden 12a-1 und 12b-1 der Wicklungen 12a und 12b sind elektrisch mit einer ge-

meinsamen Leitung 17 verbunden, welche auch mit einem Anschluß einer Last verbunden ist, welche durch einen Widerstand R dargestellt ist. Die Anschlüsse 12b-2 und 12a-2 sind durch eine Leitung 18 und auch mit den beiden Seiten

des Lastwiderstands R verbunden. Ein Paar Steuerwicklun-25

gen 16a und 16b (die durch gestrichelte Linien dargestellt sind) sind wie dxeAusgangswicklungen 12a und 12b diametral einander gegenüberliegend angeordnet und sind vorzugsweise sehr eng auf den Stator gewickelt; die Ausgangswicklungen

12a und 12b sind auf oder über die Steuerwicklungen 16a 30

bzw. 16b gewickelt.

Anschlüsse 16a-1 und 16b-2 der Wicklungen 16a und 16b sind mit den beiden Anschlüssen einer Gleichstromquelle 19 verbunden. Anschlüsse 16a-2 und 16b-1 der Steuerwicklungen 16a'ⁿund 16b sind durch eine gemeinsame Leitung 20 miteinander verbunden. Die Ausgangswicklungen 12a und 12b sind

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parallel geschaltet und liefern den Strom an den Lastwiderstand R. Selbstverständlich können jedoch die Ausgangs— Wicklungen 12a und 12b auch in Reihe geschaltet werden. Die Steuerwicklungen 16a und 16b sind im Hinblick auf irgendwelche induzierten Spannungen einander entgegenwirkend in Reihe geschaltet, so daß die sich ergebende Spannung, die in einer der Steuerwicklungen induziert werden kann, durch die Spannung ausgeglichen wird, welche in dem Rest der Steuerwicklungen induziert werden kann, so daß die sich ergebende, induzierte Spannung null ist. Durch diese Ausführung ist sichergestellt, daß keine Spannung von den Steuerwicklungen 16a und 16b zu der Gleichstromquelle 19 geleitet wird.

Durch den Strom der durch die Quelle 19 in die Steuerwicklungen 16aund 16b geleitet wird, erzeugt jede der Wicklungen Magnetflüsse H, die sich addieren. Durch den sich ergebenden Fluß wird der Statorkern 14 entweder in die Sättigung oder in Richtung der Sättigung-gesteuert und dadurch wird der Induktionswert begrenzt, der durch den Dauermagnetrotor 11 angeregt worden ist. Folglich wird auch die in den Ausgangswicklungen 12a und 12b erzeugte Ausgangsspannung des elektrischen Generators verringert.

um die Ausgangsspannung des Generators 10 zu· erhöhen, kann die Gleichspannung der Steuerquelle 19 verringert werden, wodurch dann der Sättigungsgrad des Statorkerns 14 abnimmt, wodurch dann die in denAusgangswicklungen 1_6 induzier te Span-. nung auf einen proportionalen Wert ansteigt. Das Verfahren

die Sättigung des Feldeisens (d.h. des Stators) zu steuern, kann auch auf die Familie der Hybridgeneratoren ausgedehnt werden, welche im Unterschied zu den vorerwähnten toroid- oder ringförmigen Steuerwicklungen herkömmliche, strangförmige Wicklungen aufweisen. Beispielsweise ist in

*" Fig.2c ein elektrischer Hybridgenerator 10' dargestellt, welcher einen Dauermagnetrotor 11 und ein Feldeisen bzw.

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einen -stator mit Steuerwicklungen 16a und 16b und strangförmigen Ausgangswicklungen 12a¹ und 12b¹ aufweist, wobei die Kreise C1 die Stromflußrichtung aus der Ebene der Fig. 2a durch die Wicklungen anzeigen, die entlang des inneren Umfangs des Feldstators 14 und parallel zu der Drehachse R liegen, während die Kreise C2 die Stromflußrichtung durch die entsprechenden Wicklungen in die Ebene der Fig. 2c anzeigen. Selbstverständlich zeigt die Fig.2 nur eine mögliche Anordnung, und das erfindungsgemäße Verfahren kann mit dem gleichen Erfolg auch bei Maschinen bzw. Generatoren mit anders angeordneten Ausgangswicklungen verwendet werden.

Die elektrischen Anschlüsse für die Steuerwicklungen der Fig.2c sind dieselben wie die ,die in Fig.2b dargestellt ist. Die Ausführungsform der Fig.2c zeigt, daß das erfindungsgemäße Steuerverfahren auch bei Dauermagnetmaschinen mit sehr großen Ausgangsleistungen und sogar noch bei bestimmten speziellen Anwendungen bei Generatoren mit einer

normalen Gleichstromerregung angewendet werden kann, in welchen ein extrem schnelles Ansprechen auf eine Regelung gewünscht wird. Bei der Ausführungsform des Feldstators in Fig.2aist vorzugsweise für jede Nut eine Steuerwicklung vorgesehen. Wie im Fall der Ausführungsformen der Fig.2b und 2c brauchen jedoch nur zwei Wicklungen vorgesehen sein, die um 180° versetzt angeordnet sind. Die Gesamtanzahl der Wicklungen sollte in gleichbleibenden Abständen angeordnet werden, damit die Vektorsumme der vom Rotor induzierten Spannungen null ist. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den Spulen werden dann automatisch so angeordnet, daß der durch jede Wicklung erzeugte Fluß sich zu dem rückwärtigen Teil 14c des Feldstators hinzuaddiert.

Wenn der Dauermagnetrotor 11 gedreht wird, ist die Summe

der Spannungen, die in den die Sättigung steuernden Wicklungen induziert werden, effektiv null, solange die Anzahl

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der Wicklungen in der vorbeschriebenen Weise festgelegt ist, und solange die Wicklungen in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Durch die Steuerwicklungen wird somit keine Spannung erzeugt. Versuche haben·gezeigt, daß eine entsprechende Gleichspannungssteuerung mit Hilfe einer kleinen Gleichspannungsquelle erhalten werden kann, was einen großen Vorteil im Hinblick auf dieAusführung darstellt und darauf hinausläuft, daß Leistungs- und Steuerschaltungen in dem Generator elektrisch voneinander getrennt sind.

In Fig. 3a und 3b ist eine Art dargestellt, welche die neue Flußsteuereinrichtung gemäß der Erfindung zum Regeln des Gleichspannungsausgangs einer Wechselstromgenerator-Gleichrichteranordnung verwendet. Wie--.in Fig.3a dargestellt ist,weist der elektrische Dreiphasen-Generator sternförmig geschaltete Ausgangswicklungen 12a bis 12c auf, wobei ein Ende der Anschlüsse mit einem gemeinsamen Punkt 22 verbunden ist, während die übrigen Anschlüsse jeweils mit einem Diodenpaar 23, 24 bzw. 25 verbunden sind. Die Diodenpaare weisen erste und zweite Dioden, beispielsweise die Dioden 23a und 23b auf, die antiparallel geschaltet sind. Die Dioden 23a, 24a, 25a sind mit einem gemeinsamen Anschluß 26 verbunden, während die Dioden 23b, 24b, 25b gemeinsam mit einem Anschluß 27 verbunden sind. Der Lastwiderstand R₁ ist parallel zu den gemeinsamen Anschlüssen 26 und 27 geschaltet.

In Fig.3b ist der Dreiphasen-Wechselstromgenerator 10 der Fig.3a in vereinfachter Form dargestellt, wobei der Lastwider stand R parallel zu den Ausgangsanschlüssen 26 und 27 der Vollweg-Gleichrichterschaltung bei dem Wechselstromgenerator geschaltet' ist.

Ein Teil der Gleichspannung, die an dem Lastwiderstand R erzeugt wird, wird an eine Summierschaltung aus Widerstän-

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den R und R angekoppelt. Der Ausgang der Summierschaltung

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ist an den Eingang eines Verstärkers 28 angekoppelt, von dessen Ausgang ein Steuerstrom I an die Steuerwicklungen 16a bis 16c des Wechselstromgenerators 10 zur Spannungsregelung angelegt wird, wie im einzelnen noch beschrieben wird. Die Steuerwicklungen 16a bis 16c sind Wicklungspaare, die in der vorbeschriebenen Weise elektrisch angeordnet sind.

Die Gleichspannung an dem Lastwiderstand R wird mit der Bezugsspannung verglichen, die an einen Eingang 29 eines Summierwiderstands R^ angelegt wird, wobei dies ein Verfahren ist, das üblicherweise bei geregelten Stromversorgungen angewendet wird. Da dies ein bekanntes Verfahren

I^ ist, zeigt Fig.1 in vereinfachter Form die Durchführung dieser Möglichkeit. Selbstverständlich kann auch irgendeine andere elektrische Schaltung dieser Art verwendet werden, um eine Spannungsregelung der vorbeschriebenen Art

zu erreichen.
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Der Ausgang der Vergleichsschaltung welche dieSummierwiderstände R und R sowie den Verstärker 28 aufweist ist ein Maß für di eUnterschiede zwischen der Sollausgangsspannung und der Istausgangsspannung. Die Unterschiede zwi-

sehen den Spannungspegeln werden an die Summierschaltung angelegt und führen zu einer entsprechenden Änderung des Steuerstroms I , der an die Steuerwicklungen abgegeben wird, wodurch dann die gewünschte Regelung erreicht ist. Die Ausgangsspannung an der Last R₇. kann mit Hilfe dieses

Verfahrens auf einem konstanten Wert gehalten werden.

Das Steuerverfahren gemäß derErfindung kann auch als Spannungsbegrenzer oder als Schaltungs-Schutzeinrichtung angewendet werden, wobei ein Steuerstrom nur dann erzeugt wird, wenn die von dem elektrischen Generator erzeugte Ausgangsspannung den vorbestimmten Pegel überschreitet.

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In Fig.3c ist eine stromfühlende Impedanz, die beispielsweise ein Widerstand 30 mit einem sehr niedrigen Widerstandswert sein kann, elektrisch in Reihe zwischen den Generator 10 und den Lastwiderstand R geschaltet. (Bei

einer Wechselstromregelung kann das stromfühlende Element ein Transformator sein, dessen Eingangswicklung in Reihe mit der Last R geschaltet ist und dessen Ausgangswicklung an die Steuerschaltung angekoppelt ist). Die Spannung an dem Widerstand 30 ist ein Maß für den Laststrom I . Der

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Hauptteil der Ausgangsspannung desGenerators 10 wird an dem Lastwiderstand R_T erzeugt. Ein Anschluß des Widerstan-

Jj

des 30 ist an einen stromfühlenden Verstärker 31 angekoppelt, welcher die Spannung an dem Widerstand 30 verstärkt und den verstärkten Ausgang an einen Anschluß einer Zenerdiode 32 anlegt. Die andere Elektrode der Zenerdiode 32 ist über einen Widerstand R_T mit Erde (oder einem Bezugspotential) verbunden. Der gemeinsame Anschluß 33 zwischen der Zenerdiode 32 und dem Widerstand R ist über eine Leitung und einen Widerstand R4 mit einem Eingang eines Steuerverstärkers 35 verbunden.

In Abhängigkeit von dem Nennwert der Zenerdiode 32 bleibt diese (32) , solange die Durchbruchspannung der Zenerdiode 32 nicht überschritten wird, nichtleitend. Folglich wird kein Steuerstrom über die Leitung 34 und den·Widerstand R4 an den Steuerverstärker rückgekoppelt, und folglich verhindert die Zenerdiode 32 wirksam, daß der Steuerverstärker 35 einen Ausgang abgibt, so daß kein Steuerstrom I^ fließt, was für die Steuerwicklungen 16 Voraussetzung ist.(Siehe Fig.3a).

Wenn dann die Spannung an der Last, die durch den Widerstand R₁. dargestellt'ist, zu hoch ansteigt oder zu tief ab-

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fällt, kommt es zur Regelung wie in Fig.3b. Wenn der Lastwiderstand zufällig kurzgeschlossen wird, steigt die Spannung an dem stromfühlenden Widerstand 30 augenblicklich

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mit dem Stromanstieg am Lastwiderstand R^ an. Sobald die Spannung an dem Widerstand 30 nach ihrer Verstärkung die Durchbruchspannung der Zenerdiode 32 überschreitet, wird diese (32) dadurch leitend, wodurch ein Rückkopplungsstrom an den Steuerverstärker 32 angelegt wird, welcher wiederum einen Steuerstrom abgibt, der an die Steuerwicklungen 16 angelegt wird. Durch den Strom von dem Verstärker 35 wird das Feld eisengesättigt, wodurch der Ausgangsstrom des elektrischen Generators plötzlich abnimmt, der durch die Ausgangswicklungen 12 erzeugt wird, um dadurch eineEntmagnetisierung des Dauermagnetteils 11 zu verhindern. Die in Verbindung mit Fig.3b und 3c beschriebenen Verfahren können kombiniert werden, wie beispielsweise durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, wobei dann über einen Widerstand R6 eine Verbindung zwischen einem Anschluß des Widerstands R und einem zugeordneten Eingang des Verstärkers 35 geschaffen ist.

Die vorbeschriebenen Verfahren können außer zur Regelung einer Ausgangsspannung auch in anderen Fällen angewendet werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Gleichstrommotoren angewendet werden, die eine gewickelte Rotoranordnung aufweisen, wie sie in vereinfachter Form in Fig.2d dargestellt ist. Der Motor 40, von.dem der Einfachheit halber in Fig.2d nur Teile dargestellt sind, weist einen Dauermagnetstator 41 auf, welcher beispielsweise einen Nord- und einen Südpol hat, die in Abständen von 180° angeordnet sind. In Fig.2d ist der Nordpol N des Dauermagnetenstators wiedergegeben. Der Rotor weist ein im wesentlichen ringförmiges, ferromagnetisches Teil 4 2 auf, das nachstehend als das Ankereisen bezeichnet wird. Das Ankereisen weist eine Anzahl identischer Nute 42a auf. Benachbarte Nute 42a legen zwische sich die Zähne 4 2b des Ankereisens fest. Die Ankerwicklungen, beispielsweise die

3^ Ankerwicklungen 12a und 12b sind, wie dargestellt, um bestimmte ausgewählte Zähne 42b gewickelt.

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Bei der Ausführungsform in Fig.2d sind die Steuerwicklungen 16 um den rückwärtigen Eisenteil 42c des Ankereisens 4 2 an dessen inneren Umfang gewickelt^ Vorzugsweise ist jede Nut 42a mit einer Steuerwicklung 16 versehen. Es .müssen Schleifringe vorgesehen sein, um den Gleichstrom an die Steuerwicklungen anzukoppeln. Für die Ankerwicklungen kann ein herkömmlicher Kommutator vorgesehen sein. Die Schleifringe und die damit zusammenwirkenden Bürsten sind üblich und zur Vereinfachung der Darstellung in Fig.2d weggelassen. Ein üblicher Aufbau einer solchen Einrichtung ist beispielsweise in Fig.3-37 auf Seite 140 des Buches "Electrical Machinery, Copyright 1952 bei McGraw-Hill" dargestellt.

Der Gleichstrommotor in Fig.2d kannin einfacher Weise abgewandelt werden, um dann als Gleichstromgenerator zu wirken, indem der Rotor mechanisch angetrieben wird und ein elektrischer Ausgang an den Wicklungen 12 entnommen wird.Der Nachteil der Anordnung der Fig.2d beruht auf der Tatsache, daß der komplizierte Aufbau derSchleifringanforderungen erfor— derlich ist weshalb der Anwendungsbereich dieser Ausführungsformen begrenzt ist.

Das Steuerverfahren gemäß der Erfindung kann auch bei Gleichstrom-Tachometern angewendet werden, welche im wesentlichen denselben Aufbau aufweisen, wie in Fig.2d dargestellt ist, wobei die Sättigungssteuerung als Verfahren der Spannungsgradientensteuerung angewendet ist, d.h. wobei sich dann der Spannungsgradient als Funktion der Drehzahl ändert.

Durch die Erfindung ist somit ein einfaches und praktisch verwendbares Verfahren zum Regulieren des gesamten Magnetflusses in einer elektrischen Maschine durch' eine Gleichstromsättigung von Teilen der Bahnen in dem Feld- oder Statoreisen geschaffen, wodurch der Fluß konzentriert wird. Eine Gleichstrom-Sättigung kann mit Hilfe elektrisch iso-

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lierter Steuerwicklungen,wozu erheblich weniger Energie erforderlich ist als die , die von den so geregelten, elektrischen Maschinen abgegeben wird, erhalten werden. Hierbei gilt, je höher die Permeabilität des Feldeisens bei Fehlen des Steuerstroms ist, umso geringer ist die Steuerenergie, die zum Sättigen des Feldeisens erforderlich ist.

Die mit der Erfindung erhaltene Regelung wirkt extrem schnell, da sie die Flußanstiegszeit ,die durch die L/R-Zeitkonstante hervorgerufen wird, in herkömmlichen Generatoren, die mit "vorwärts wirkenden" Regler ausgestattet sind, während bei der Erfindung eine "Umkehrregelung" angewendet wird. Der Name "Umkehrregelung" ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß im Unterschied zu der normalen Regelung ein Anstieg in der Anschlußspannung der Maschine zu einer proportionalen Abnahme im Steuerstrom führt, weshalb es zu dem Ausdruck "Umkehrregelung" gekommen ist.

Messungen an Wechselstrom erzeugenden Einrichtungen,die nach dem Prinzip der Erfindung ausgelegt sind, zeigen, daß Spannungs-Übergangszustände innerhalb einer viertel bis halben Periode vom Zeitpunkt des Ereignisses an stabilisiert werden können. Bei Gleichstrom erzeugenden Einrichtungen wird der Einschwingzustand innerhalb einer Zeitperiode stabilisiert, die nur durch die Kenndaten der Lastschaltung und des beim Generator verwendeten Stahls begrenzt ist.

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Claims

Patentansprüche

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J 1.)Elektrischer Generator mit einer Rotoranordnung, einer damit ^zusammenwirkenden Statoranordnung, welche Anordnungen relativ zueinander drehbar sind und bei welchen die eine Anordnung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufweist, das in Richtung auf die andere Anordnung hin geleitet wird, während die andere Anordnung ein Teil aus einem Material mit einer nichtlinearen Permeabilität aufweist, und mit einer ersten Wicklungsanordnung auf dem Teil, um einen elektrischen Ausgang zu erzeugen, der infolge der relativen Bewegung zwischen den Rotor- und Statoranordnungen auf die Bewegung des Magnetfeldes vorbei an der ersten Wicklungsanordnung anspricht, gekennzei chn e t durch einen Steuereinrichtung (16, 16a) mit einer Gleichspannungsquelle (19) und einer Steuerwicklungsanordnung (16, 16a) auf dem Teil (14), die auf die Gleichspannungsquelle (19) anspricht, um einen Magnetfluß vorbestimmter Größe in das Teil (14) einzuleiten, um den durch die Ausgangswicklungsanordnung erzeugten Ausgangspegel zu ändern .
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß das Teil (14) ein ringförmiges Teil ist.
3. Generator nach einem der Ansprüche 1 oder'2, dadurch

gekennzeichnet, daß durch die Steuerwicklungsanordnung (16, 16a) verhindert werden kann, daß das sich bewegende Magnetfeld ,das durch die Relativbewegung zwischen den Rotor- und Statoranordnungen geschaffen ist, infolge des Vorhandenseins der Steuerausgangsanordnung (16, 16a) einen sich hieraus ergebenden Ausgangs erzeugt.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil (14) mit einer Anzahl radial ausgerichteter Nute (14a) versehen ist, die sich in das ringförmige Teil von dem Innenumfang des Teils aus erstrecken, daß die erste Wicklungsanordnung (12a, 12b) zumindest in einigen der Nute (14a) angeordnet ist, und daß die Steuerwicklungsanordnung (16, 16a) zumindest in einigen der Nute angeordnet ist.
5. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Steuerwicklungsanordnung (16, 16a) erzeugte Fluß quer zu dem durch die erste Wicklungsanordnung (12a,, 12b) erzeugten Fluß ausgerichtet ist.
6. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,gekennzeichnet durch eine Last zur Aufnahme des von der ersten Wicklungsanordnung abgegebenen Ausgangs, durch eine Bezugsspannungsquelle, eine Summiereinrichtung zum Summieren des Ausgangs von der Last und der Bezugsspannungsquelle, und durch einen Verstärker, um den Ausgang der Summiereinrichturig an die Steuerwicklungsanordnung anzulegen.
7. Generator nach Anspruch 6, gekennzeichnet

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durch eine Kopplungsanordnung, die zwischen die Summiereinrichtung und die erste Wicklungsanordnung geschaltet ist, und durch eine Schaltungsanordnung ,um ein Signal an die Summiereinrichtung anzulegen, um ^₃₅ durch die Steuerwicklungs-

c anordnung erzeugte Feld in dem Fall zu erhöhen, daß der Ausgangsstrom der Maschine über einen vorbestimmten sicheren Schwellwert ansteigt.
8. Generator nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η ■jQzeichnet, daß die Schaltung ein Spannungsfühlelement aufweist.
9. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) das Teil (14) aufweist.
10. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,daß die Steuerwicklungsanordnung (16, 16a) Steuerwicklungen (16·, 16a) aufweist, daß die erste Wicklungsanordnung (12a, 12b) erste Wicklungen (12a, 12b) aufweist,und daß die Steuerwicklungen und die ersten Wicklungen sich zumindest bis zu einem gewissen Grad überdecken.

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