DE3304664A1 - Perfektionierter einphasengenerator - Google Patents

Description

AnmeJ derin:. Stuttgart, den 7· Februar 198:

P 4308 /Ho

MAaE-ELETTROMEOCANXCA S.p.A. Via Tortona - Fr. Pieyesestina Cesena (Forli) - Italien -

Vertreter:

"Kohler-Schwin&ling-Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße '41 ■
7000 Stuttgart .A . · .

Pe rf -sktionierter Einphasengenerator

Perfektionierter -Einphasengenerator

Es ist bekannt, daß ein Synchrongenerator (auch als Alternator bekannt) normalerweise mit einem rotierenden feldmagnet (Polrad) und einem festen Anker (Stator) hergestellt wird. Der Feldmagnet wird durch Gleichstrom erregt, weshalb eine Gleichstromquelle notwendig ist (Dynamo, Gleichrichteranlage usw.), um den Feldmagneten seibot zu speisen. Für den Fall, daß die Gleichstromquelle aus wenigstens einem Dynamo besteht, der von dem Feldmagnet unabhängig oder auf der
Feldmagnetwelle montiert ist, wird es notwendig, auf der
Welle des Polrades zwei über Schleifbürsten mit der genannten Quelle verbundene Ringe vorzusehen. Dadurch erfolgt die Zufuhr von Gleichstrom an die Erregungsspulen des Feldmagnets. Für den Fall, daß die Gleichstromquelle aus einer Gleichrichteranlage ausserhalb der Maschine besteht (also fest),
ist es notwendig, für die Stromzufuhr an dem Feldmagneteri des Generators die Ringe und Bürsten wie oben vorzusehen. Es ist ebenfalls eine Konstruktionslösung bekannt, die keine Ringe und Bürsten erfordert, da sie eine auf der Achse des F*ldmagnetes montierte Gleichrichteranlage vorsieht (also mit
der Achse rotierend), die durch einen Synchrongenerator
(durch die obige Feldmagnetwelle mit in die Umdrehung gezogen) mit festem Feldmagnet und rotierendem Anker (.Typ
brushless, bürstenlos) mit Wechselstrom gespeist wird.

Die technischen Lösungen wie oben erwähnt weisen unterschiedliche Nachteile auf, die zum Beispiel daher kommen, daß die Kollektoren oxydieren, daß die Bürsten funken und sich verbrauchen, und daß es notwendig ist, Energiequellen mit einer geeigneten Leistung vorzusehen (die von O, J> % bis 1, > '/° der angegebenen Leistung des angeschlossenen Generators
geht), die aus Gleichrichteranlagen, aus einem oder mehreren Dynamos oder aus Generatoren vom Typ "brushless" kommen. Es ist ebenfalls bekannt, daß sich an den Klemmen des Generators

die Lastspannung von der Leerlaufspannung unterscheidet, und zwar hauptsächlich durch den internen Abfall des Generators (Spannungsabfall am Widerstand und der Reaktanz des Generators) und die Ankerrückwirkung, wobei das Ankermagnetfeld auf Grund einer ohmschen-induktiven Belastung (welche allgemein die normalen -Belastungen der elektrischen Verbraucher wiedergeben) eine Entmagnetisierungswirkung auf das vom Feldmagnet erzeugte Magnetfeld ausübt.

Die Erregungss^steme wie oben gewährleisten keine Spannungsregulierung an den Klemmen des Generators (Spannung, die im Verhältnis zu einem Nennwert in einem festgelegten Änderungeintervall enthalten sein muss), weshalb Aggregate zur Spannungsregulierung notwendig sind (die eingreifen, um den Erregungsetrom der Feldmagnetspulen des Generators zu verändern), welche im Verhältnis zu dem benutzten Erregungssystem vom Typ des sogenannten "shunt", "compound", shunt und serie" (Nebenschluß, Compound, Nebenschluß-Reihenschluß) sein oder aus einem elektronischen Regler bestehen können. Die obengenannten Regulieraggregate bringen von der Konstruktion her Komplikationen mit sich (die noch zu den konstruktiven Massnahmen und Besonderheiten der angeführten Erregungssysteme hinzukommen) und erfordern weitere Stromkreise, was zum Nachteil der Leistung des Generators führt und sich negativ und erheblich auf die Gesamtkosten des Generators selbst auswirkt. ' '. ■·■

Eine weitere konstruktive Massnahme bei den bekannten Generatoren ist dadurch begründet, daß der Feldmagnet notwendigerweise mit einer Dämpfewicklung versehen sein muß (Leblanc-Käfig), deren Aufgabe es ist, die Erregungsspulen vor dem Einfluß der gegenlaufenden Drehfelder abzuschirmen (Drehung in entgegengesetzter Richtunß im Verhältnis zum Hauptdrehfeld), die sich in Drehstromgeneratoren bei Vorhandensein von unausgeglichenen Belastungen bilden, oder vor dem

Einfluss des gegenlaufenden Drehfeldes, das sich stets j ti einem einphasigen Generator bildet.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, einen Einphasengenerator vom Typ mit rotierendem Feldmagnet und festem Anker zu liefern, und zwar so ausgebildet, daß er weder eine Dämpferwicklung noch eine Gleichstroa-Energiequelle zur Erregung erfordert, und ebenfalls so ausgebildet, daß er selbst zündet und die Spannung bei zunehmender Belastung selbst reguliert, auch bei starken induktiven Belastungen. Ein weiterer Zweck ist der, einen Generator zu liefern, der ausser, daß er die vorstehenden Zwecke erfüllt, auch noch so ausgelegt ist, daß er eine bessere Leistung aufweist, eine niedrigere Höchsttemperatur im Betrieb und erheblich niedrigere Kosten im Vergleich zu Leistung, Höchsttemperatur und Kosten der bisher bekannten Einphasengeneratoren, natürlich entsprechend der Nennleistung.

Die obengenannten Zwecke werden erreicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch den vorliegenden perfektionierten Einphasengenerator vom Typ mit rotierendem Feldmagnet und festem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagnetkreis in dem Feldmagnet aus voneinander isolierten Plättchen aus ferromagnetischem Material besteht, die paketförmig nebeneinander liegen und radial an der Welle des Feldmagnetes selbst befestigt sind, und die Klemmen des Erregerkreises sind an ein den Strom in gleichbleibender Sichtung leitendes Element angeschlossen, das einer festgelegten Bichtung des ErregerStroms in dem Stromkreis selbst folgt und dadurch gekennzeichnet, daß die in den Hohl räumen des Ankers verteilten Leiter zwei Spulen beschreiben, deren Achsen winkelförmig zueinander stehen, und bei denen die Klemmen der einen Spule an eine kapazitive Last angeschlossen sind, während die Klemmen der anderen Spule an die Verbraucher des erwähnten Generators anschließbar sind.

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^!Bde Reaktanz-..der genannten kapazitiven Last ist größer . als die gesamte^synchrone: Reaktanz der Spule unter Berücksichtigung der kapazitiven Last,/;.·.:/■ ; ' ■

Die Achsen der genannten Spulen stehen rechtwinklig zueinander oder neigen so weit wie möglich zu dieser besonderen Position, soweit es mit den Schwierigkeiten in der Montage der Spulen vereinbar ist.

Schließlich besteht das erwähnte, den Stom in gleichbleibender Richtung leitende Element aus einer Pestkörperdiode.

Die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anschließend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervorgehoben, von denen

- Abb. 1

eine schematiache Darstellung des betreffenden Generators zeigt;

- Abb. 2

zeigt das Schaltschema des betreffenden Generators;

- Abb. 3 ■"■· ■'■"■■

zeigt eine Tabelle der wichtigsten Kenngrößen des betreffenden Generators im Vergleich mit den Kenngrößen einiger Typen von bekannten Einphasengeneratoren.

Unter Bezugnahme auf die genannten Abbildungen ist mit 1 die Welle des Feldmagnet"* (oder Polrad) 2 des betreffenden Generatoi 10 bezeichnet, deren Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit (von einem n-Vert = 60 f/p, wobei η die Drehzahl pro Minute, bedeutet, f_ ist die Frequenz der induzierten Spannung und £

sind die Polpaare des Polrades 2) und auf bekannte Weise durch einen nicht dargestellten Hauptmotor erfolgt. Der Magnetkreis des Polrades (in dem gezeigten i'alle vom Typ mit 2 Schenkelpolen, also ρ « 1) besteht aus Plättchen 3 (so ausgebildet, daß sie den Polen N, S und den Polschuhen 3a, 3b folgen) aus ferromagnetischem Material, die voneinander isoliert sind und so aneinander liegen, daß sie ein Paket bilden und dabei radial im Verhältnis zu der Welle 1 angeordnet sind. Die Befestigungsmittel der Plättchen 3 an der Welle 1 sind bekannt und daher nicht bildlich dargestellt. Der Erregerkreis des Polrades besteht (in dem vorliegenden Falle) aus zwei in Serie angeordneten Spulen 4. Der Anschluß der genannten Spulen ist wie bekannt so, daß übereinstimmende Amperewindungen entstehen.

Die Spulen 4- sind von außen über entsprechende Klemmen 5a (positiv) und 5b (negativ) erreichbar. Während der Herstellung des betreffenden Generators wird das Polrad magnetisiert (zum Beispiel durch Aussenden eiaes positiven Stromimpulses von der Klemme 5a an die Klemme 5b), so daß die verbleibende Induktion eine solche ist, daß die Pole Nord N und Süd S an dem Polrad selbst ermittelt werden.

Zwischen den Klemmen 5a und 5b wird eine Diode 6 angeschlossen, deren Anode mit der Klemme 5b verbunden ist (an die genannte Diode kann parallel ein geeigneter Kondensator 7 zum Schutz gegen eventuelle Spannungsüoerlastungen angeschlossen werden). Der besondere Anschluß der Diode 6 ermöglicht in den genannten Spulen den Umlauf eines Stroms 1 nach einer Leitrichtung, die von der Diode selbst bestimmt wird. Die Richtung des genannten Stroms ist eine solche, daß in dem Polrad ein magnetisches Induktionsfeld erzeugt wird, und zwar in Übereinstimmung mit der bestehenden verbleibenden Induktion.

Es atuß aus Gründen der ausgesprochenen Votrteilhaftigkeit hervorgehoben werden, daß das Polrad 2 nicht mit Dämpfer-,wicklungen versehen ist, und daß die Spulen 4 an keine Gleichstromquelle angeschlossen sin'd. Dadurch wird die ausgesprochene konstruktive Einfachheit des Polrades des betreffenden Generstörs deutlich. ■

Die Leiter 8, die sich in .den Hohlräumen des Ankers (oder Stators) 11 befinden, sind so angeschlossen, daß sie zwei "Spulen 12, 13 beschreiben, deren Achsen rechtwinklig oder so weit wie möglich lotrecht zueinander stehen. In dem schematisch in der Abbildung 1 dargestellten Fall handelt es sich um vierundzwanzig Hohlräume, von denen acht für die Spule 12 bestimmt sind und die restlichen für die Spule 13.

Die Last der Spule 12 (oder Hilfsspuie) besteht aus einem "..Kondensator 14 (.von einigen pF). Die kapazitive Reaktanz des genannten Kondensators ißt größer als die synchrone Reaktanz der Spule 12, weshalb die "gesichtete" Last der Spule 12 von ohmisch-kapazitiver Art ist.

Die Klemmen 15a der verbleibenden Spule 13 sind dazu bestimmt, an die elektrischen Verbraucher 15 des betreffenden Generators angeschlossen .zu werden..

Es wird der Betrieb, des betreffenden Generators beschrieben, wobei zu Beginn ein unbelasteter Generator (Klemmen 15a offen) angenommen wird.

Sobald das Polrad mit Geschwindigkeit V in Umdrehung versetzt wird (z.B. in Richtung N), erzeugt die Restinduktion des Polfades einen schwachen Fluß, der mit Geschwindigkeit V die Leiter der Spulen 12, 13 "schneidet", indem er in diese eine Spannung von einigen Volt induziert. Die in die Leitungen

der Spule 12 induzierte Spannung läßt in dieser einen sich daraus ergebenden Strom I₂ zirkulieren (da die Spule 12 zu dem Kondensator 14- hin verschlossen ist). Der Strom I₂ erzeugt ein Magnetfeld, was aus zwei sich entgegengesetzt zueinander drehenden Magnetfeldern mit gleicher Amplitude bestehend angenommen werden kann. Das direkte Feld (dessen Geschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit V des Polrades ist) erzeugt eine magnetisierende Wirkung auf den Fluß, der durch das Polrad erzeugt wird, da die Belastung der Spule 12 ohmischkapazitiver Art ist. Das umgekehrte Feld dreht sich entgegengesetzter Richtung im Verhältnis zur Drehrichtung des vorgenannten Polrades, weshalb es die Leiter der Spulen 4 mit einer Geschwindigkeit 2 V "schneidet".

Aus dem was gesagt wurde ergibt sich, daß In die Leiter der Spulen 4 eine Spannung induziert wird, von der nur die Halbwelle, welche die Diode 6 passieren kann, den vorstehend erwähnten Strom I produziert.

Der genannte Strom I (von pulsierender Art) verstärkt den von dem Polrad bewirkten Fluß, was die oben erwähnten Erscheinungen wie mit Kettenwirkung hervorruft.

Während des Betriebes ist die Geschwindigkeit V des Polrades eine solche, daß dem bekannten Verhältnis η = 60 f/p (bereits erwähnt) entsprochen wird, die in die Spule 12 induzierte Spannung (und folglich auch die Spannung an den Enden des Kondensators 14) ist durch die Sättigung des kompletten Magnetkreises des Generators begrenzt (Stator und Polrad) und die in die Spulen A- aus dem Gegenfeld induzierte Spannung hat die Frequenz 2f.

Es wird deutlich, daß unter den obengenannten Bedingungen, das heißt im Leerlauf, der resultierende Fluß (durch das Polrad und die Ankerrückwirkung, die durch das direkte Dr eh-

to

feld hervorgerufen wird) in die Enden der Spule 13 eine bestimmte Spannung induziert.

Aus dem, was oben gesagt wurde, geht die ausgesprochen vorteilhafte Tatsache hervor, daß der Generator durch die Hilfsspule 12 und die Diode 6 selbst zündet und sich selbst erregt. Sobald die Klemmen 15a an die elektrischen Verbraucher 15 angeschlossen werden, wird die Spule 13 von einem Laststrom I durchlaufen, der ein magnetisches Feld erzeugt,.das sich (wie bekannt) aus einem direkten und einem gegenlaufenden Feld bestehend vorgestellt werden kann.

. Die Spannung.neigt an den Spitzen der Belastung 15 aus zwei Gründen zum Absinken, und zwar der Abfall an der internen Impedanz der Spule (Impedanz von ohmisch-induktiver Art) und die Ankerrückwirkung der direkten Komponente des durch I er-

zeugten Feldes, eine Rückwirkung, die entmagnetisierend wirkt, da die Last 15 normalerweise von ohmisch-induktiver Art ist. flit dem betreffenden perfektionierten Generator wird der obengenannten Neigung zum Abfall praktisch entgegengewirkt und diese so gut wie annulliert. Mit anderen Worten werden die Spannungsänderungen an den Enden der Klemmen 15a von Leerlauf auf Belastung innerhalb einiger Prozente gehalten (zum Beispiel = 3 %). Tatsächlich induziert das Gegenfeld (proportional au I) in die Spulen 4 eine Spannung (mit 100 Hz, falls f = 50 Hz), deren Höchstwert proportional zu I ist. Daraus ergibt sich eine Zunahme von I und eine

Verstärkung des durch das Polrad erzeugten Magnetfeldes. Die genannte Verstärkung des Feldes bewirkt eine Erhöhung des Gesaintflusses des Generators, was zu einer Erhöhung der in die Enden der Spule 13 induzierten Spannung führt.

Die Erhöhung der in die Enden der Spule 13 induzierten Spanung neigt zur Zunahme (bei Zunahme von I ) auch deshalb,

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weil die Flußzunahme des Generators auch die Spannung
an den Enden der Spule 12 erhöht, was eine Zunahme von Ip
bewirkt, dessen Magnetfeld eine magnetisierende Wirkung
auf den Fluß des Generators ausübt.

Aus dem, was oben gesagt wurde, geht hervor, daß der betreffende Generator seine Spannung selbst reguliert, auch bei
Vorhandensein von stark induktiven Lasten 15·

Die Spannung an den Klemmen 15a ist innerhalb akzeptierbarer Werte gehalten, auch bei Vorhandensein von erheblichen Überbelastungen (zum Beispiel von 100 %), und zwar aus den schon dargelegten Gründen. Tatsächlich bewirkt eine Zunahme von I
eine Verstärkung des durch das Polrad erzeugten Feldes, mit
allen sich aus dieser Erhöhung ergebenden Folgen.

Die Leistung des betreffenden Generators ist höher als die
Leistungen der bisher bekannten Generatoren, immer natürlich entsprechend zum Nennwert. Tatsächlich sind bei dem betreffenden Generator die Verluste des Erregerkreises im Verhältnis
zu den gleichen Verlusten anderer Generatoren stark herabgesetzt, da weder Bürsten, noch Kollektoren, noch Gleichstrom-Speisungsquellen vorhanden sind.

Zum Schluß hat man bei Laborversuchen feststellen können,
daß die im Betrieb von den Leitern der Hauptspule (also 15)
erreichte Höchsttemperatur wesentlich geringer ist als die
in den Statorleitern der bekannten Generatoren erreichten
Höchsttemperaturen (welche die verschiedensten Aggregate zur Spannungsregulierung verwenden), natürlich im Verhältnis zur Nennleistung.

Als Beispiel sind in der Tabelle in Abbildung 3 die wichtigsten Kenngrößen bezüglich einiger bekannter Generatortypen angegeben,

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•^:die mit den gleichen Kenngrößen; des betreffenden Generators verglichen wurden.

Die genannte Tabelle besteht aus 5 Zeilen (1. Spalte), die sich auf Generatoren (mit A, B, C, D und 3S bezeichnet) mit Regulieraggregat vom Typ "shunt", "compound" und "shunt und

. serie", mit·elektronischer Regulierung und schließlich auf den vorliegenden Generator beziehen. Die zum Vergleich berücksichtigten Kenngrößen sind jeweils die im Betrieb durch die Ankerleiter mit Nenn-I_c erreichte Höchsttemperatur (2. Spalte), die prozentuale Spannungsänderung von Leerlauf auf Belastung (3. Spalte), die Leistung von 75 % der Bel-astung mit einheitlichem cos0 (der Last) (4. Spalte), die prozentuale Ub*»rbelastung im. Verhältnis zum Nenn-I- (5· Spalte) und die jeweiligen Kosten pro Stück (6. Spalte), zu deren Vergleich man zweckmäßigerweise von dem vorliegenden Generator * 1 ausgegangen ist. Im Endeffekt hat der vorliegende Generator keine Dämpferwicklungen, benötigt keine Gleichstromquelle zur Speisung des Erregerkreises des Feldmagnetes (also auch keine Bürsten, Kollektoren, Gleichrichteranlagen, Hilfs-

.<· generatoren us*;.). Er zündet selbst, er reguliert seine Spannung bei zunehmender Belastung selbst (auch wenn diese stark wattlos ist), hält erhebliche Uberbelastungen aus und bietet gegenüber den bekannten Generatoren und bei gleicher Nennleistung eine höhere Leistung, eiqe niedrigere Höchsttemperatur und zu besonders günstigen Kosten. Das Fehlen des Regulieraggregatea und der Gleichstrom-Speisungsquelle ermöglicht

:. es, die axiale Ausdehnung des vorliegenden Generators zu begrenzen. Die ausgesprochen konstruktive Einfachheit des vorliegenden Generators wirkt sich vorteilhaft auf seine Zuverlässigkeit und auf die Wartung aus.

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Der beschriebene Generator 10 vom Typ mit rotierendem Feldmagnet 3 und festem"Anker 11 weist den entsprechenden" Feldmagnet*¹'^ ohne iämpferwicklungen auf und die Klemmen 5ö,-5b der ißrregungsspulen M- sind an eine Diode 6 angeschlossen, während die Leiter 8 der Ankerwicklungen 11 so "angeschlossen sind, daß sie zwei unterschiedliche üpulen'1¹S, 1J bilden, "die rechtwinklig zueinander stehen, das iieißt eine Haupt spule und eine flilfsspüje.

An die Kleruen der Hilfsspule 12 ist eine kapazitive Last von einem solchen Wert angeschlossen, daß sich in der Spule 12 selbst ein Voreilungsstrom Ic im Verhältnis zu der Sekundarspannung bildet, während an den Klemmen 15a, 1ü?b der Hauptspüle 13 die elektrischen Verbraucher 1J? angeschlossen sind'. Der vorliegende Generator 10 zündet selbst, reguliert selbsttätig die Spannung, hält erhebliche Überlastungen aus, weist optimale elektrische Eigenschaften auf sowie besonders interessante Herstellungskosten.

Es versteht sich, daß die obige Beschreibung rein als Beispiel gegeben und nicht begrenzend ist, weshalb eventuelle Varianten praktischer Art an den Konstruktionsdetails gemacht werden können (z.B. kann der Feldmagnet von der Art mit glatten Polen sein), die Jedoch alle innerhalb der oben beschriebenen und beanspruchten Lösungen liegen müssen.

/P

Leerseite

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ^/Perfektionierter Einphasengenerator vom Typ mit rotierendem Feldmagnet und festem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis in dem Feldmagnet (3) aus voneinander isolierten Plättchen aus ferromagnetischem Material besteht, die als Paket nebeneinander liegen und radial an der Welle (1) des Feldmagnet^ (3) selbst angeordnet sind, und die Klemmen (5a, 5b) des Erreg.ungskreises sind an ein de.n Strom in gleichbleibender Richtung leitendes Element (6) angeschlossen, das einer festgelegten Richtung des Erregungsstromes (I) in dem Kreis selbst folgt, und dadurch gekennzeichnet, daß die in den Hohlräumen des Ankers (11) verteilten Leiter (8) zwei Spulen (12, 13) bilden, deren Achsen winkelförmig zueinander stehen, und von denen die Klemmen der einen Spule (12) an eine kapazitive Last (14) angeschlossen sind, während die Klemmen (15a, 15b) der anderen Spule (13) an die Verbraucher (15) des genannten Generators (10) angeschlossen werden können.
2. 2. Generator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz der genannten kapazitiven Last (14) größer ist als die gesamte synchrone Reaktanz der Spule (12) unter Berücksichtigung der kapazitiven Last.
3. 3. Generator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Achsen der genannten Spulen (12, 13) lotrecht zueinander stehen.
4. 4. Generator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Element (6) aus wenigstens einer Festkörper-Diode besteht.