DE3320644A1 - Synchronmaschine - Google Patents

Description

• SYNCHRONMASCHINE
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen. Bei bekannten derartigen Maschinen, die Generatoren oder Motoren sein können, wird der Gleichstrom, der zur Erregung des Rotor-Feldmagneten erforderlich ist, mit Hilfe von Schleifringen und Schleifring-Kohlen auf den Rotor übertragen.
• Schleifringe und Kohlen verschleißen und sind störanfällig.
• Durch die vorliegende Erfindung sollen derartige Bauteile daher vermieden werden. Die Erregerenergie soll durch eine verschleißfreie Anordnung übertragen werden. Diese soll einfach aufgebaut und mit der übrigen Konstruktion der Maschine kompatibel sein.
• Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst, auf dessen Wortlaut im folgenden Bezug genommen wird.
• Nach der Erfindung wird die Erregerenergie für den Feldmagneten des Rotors vom Stator auf den Rotor, nicht wie bisher, in Form von Gleichstrom übertragen, sondern in Form von Wechselstrom, der erst im Rotor gleichgerichtet wird. Man erhält so eine verschleißfreie, nicht störanfällige Anordnung, die zudem keine elektromagnetischen Störfelder erzeugt.
• Durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird für eine verlustarme Übertragung der Erregerenergie gesorgt.
• Nach Anspruch 4 läßt sich eine zusätzliche magnetische Isolation zwischen Ringtransformator und Maschinenwelle schaffen.
• Nach Anspruch 7 kann der vom Ringtransformator zu übertragende Wechselstrom eine Frequenz haben, die gegenüber der Netzfrequenz von 50 Hz relativ hoch ist. Infolgedessen kann man mit einem räumlich kleinen Ringtransformator auskommen, um die erforderliche Erregerenergie zu übertragen.
• Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Merkmalen der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
• Figur 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine Synchronmaschiene nach der Erfindung.
• Figur 2 zeigt zwei Querschnitte derselben Maschine, links in der Ebene IIa und rechts in der Ebene IIb von Figur 1.
• Figur 3 und 4 sind teilweise Seitenansicht und axialer Querscnitt einer Hälfte eines Außenmantels des Ringtransformators.
• Figur 5 und 6 sind teilweise Seitenansicht und axialer uerschnitt einer Hälfte eines Innenmantels des Ringtransformators.
• Figur 7 und 8 sind teilweise Seitenansicht und axialer Querschnitt eines Wickelkörpers.
• Figur 9a und 9b sind die beiden Hälften eines Schaltpl.anes.
• Wie Figur 1 und 2 zeigen, hat die Synchronmaschine nach der Erfindung ein Gehäuse 1 aus Aluminium mit Kühlrippen 3. Das Gehäuse trägt Lagerschilde 5 und 6, in denen die Welle 8 der Maschinen gelagert ist. Am Gehäuse setzt eine Lüfterhaube 7 an. Im Gehäuse ist wie üblich der Stator 10 drehfest untergebracht, während die Welle 8 den Rotor 12 trägt. Der Stator hat einen Anker 14 in Form eines geblechten Statorpaketes.
• Der Anker trägt eine Statorwicklung 16, hier eine Drehstromwicklung. Der Rotor 12 weist einen Feldmagneten 18 in Form eines geblechten Polradpaketes auf. Der Feldmagnet ist mit einer Erregerwicklung 20 versehen.
• Zur Übertragung der Erregerenergie vom Stator auf den Rotor dient ein Ringtransformator 22. Dieser hat eine zum Stator gehörige, ortsfeste Primärwicklung 24 und eine zum Rotor gehörige, mit der Welle 8 dreh fest verbundene Sekundärwicklung 26. Jede dieser Wicklungen ist in einem ringförmigen, im Schnitt U-förmigen Mantel aus weichmagnetischem Material untergebracht. Das weichmagnetische Material kann Ferrit, Metallpulver oder verlustarmes Transformatorenblech sein. Es sind ein Außenmantel 28 und ein Innenmantel 30 vorgesehen.
• Jeder dieser Mäntel ist längs einer Mittelebene, die quer zur Welle 8 verläuft, in zwei zueinander spiegelbildliche Abschnitte 32 bzw. 34 unterteilt. Jeder dieser Abschnitte hat einen außen bzw. innen angeordneten zylindrischen Ring 36 bzw. 38, an dem ein einwärts bzw. auswärts gerichteter Flansch 40 bzw. 42 ansetzt.
• Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Ringtransformators sind in Umfangsrichtung, also konzentrisch zur Welle 8 gewickelt.
• Während die Sekundärwicklung 26 einfach zwischen die zusamengefügten Abschnitte 34 gewickelt werden kann, die beide den Innenmantel bilden, ist für die Primärwicklung ein Wickelkörper 44 vorgesehen, der aus hitzebeständigem Kunststoff besteht, in axialem Querschnitt U-förmig und zwar nach außen geöffnet ist.
• Der Außenmantel 28 ist innerhalb des Gehäuses 1 in einem äußeren Befestigungsring 46 fest angebracht. Dieser Befestigungsring ist im axialen Querschnitt U-förmig und nach innen offen. Entsprechend ist der Innenmantel 30 innerhalb eines inneren Befestigungsringes 48 mit der Welle drehfest verbunden. Dieser Befestigungsring hat außerdem die Funktion einer magnetischen Isolation zwischen dem Innenmantel 30 und der Welle 8.
• Der Außenmantel 28 ist gegenüber dem Innenmantel 30 so angeordnet, daß deren radial verlaufende Flansche gegeneinander gekehrt sind, daß aber zwischen ihnen nur der erforderliche Luftspalt verbleibt, so daß beide Mäntel gemeinsam einen magnetischen Kreis bilden.
• Die Figuren 9a und 9b zeigen gemeinsam einen Schaltplan für eine Synchronmaschine nach der Erfindung, die als Generator betrieben wird.
• In Figur 9b erkennt man die Statorwicklung 16 in Form einer Drehspannungswicklung, darüber einen zum Stator gehörigen Stromwandler 50. An den Anschlüssen L1, L2 und L3 wird die Ausgangsleistung des Generators abgegeben. Rechts neben der Statorwicklung 16 ist eine Hilfswicklung 52 mit Mittelanzapfung vorgesehen. Diese Wicklung liefert die Erregerenergie für den Feldmagneten des Rotors. Der hier abgegriffene Wechselstrom wird zunächst in einem Schaltungsteil 54 gleichgerichtet und gesiebt. Anschließend wird in einer Gegentakt-Transistor-Leistungsstufe 56 Wechselstrom einer Frequenz zwischen 1 kHz und 20 kHz erzeugt und der Primärwicklung 24 des Ringtransformators zugeführt. Alle Teile innerhalb eines strichpunktierten Kreises 58 gehören zum Rotor der Maschine.
• Die Sekundärwicklung 26 des Ringtransformators hat eine Mittelanzapfung. Drei Siliziumdioden 60 sorgen für eine Vollweggleichrichtung, derart, daß die Erregerwicklung 20 des Rotors mit Gleichstrom gespeist wird.
• Die Anordnung nach der Erfindung gibt die Möglichkeit, wichtige Ausgangsparameter zu verbessern, z. B. die Konstanz der Ausgangsspannung zu erhöhen und/oder eine Ausgangs-Dauer-Kurzschlußfestigkeit zu erzielen, was durch Einsatz elektronischer Reglerteile erfolgen kann. Die im Punkt 62 anstehende Gleichspannung läßt sich nach Spannungsstabilisierung in einem Schaltungsteil 64 zur Versorgung einer Generator-Ausgangsspannungs-Regelelektronik, einer Ausgangsleistungs-Regelelektronik und einer Ausgangsstrom-Regelelektronik einer Pulsbreiten-Stellelektronik und einer Gegentakt-Treiberstufe verwenden. Figur 9a zeigt dies im einzelnen, wobei zu beachten ist, daß die eingezeichneten Pfeile Signalverläufe andeuten, nicht aber Stromrichtungen.
• Die Sekundärwicklung 26 des Ringtransformators wird aus der Gegentaktstufe 56 mit einer pulsbreiten-modulierten Gegentaktspannung im Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz angesteuert. Die Frequenz hängt von der Baugröße und dem verwendeten Material des Ringtransformatormantels ab. Die Gegentaktspannung baut in der Primärwicklung des Ringtransformators ein magnetisches Wechselfeld auf, das vom Außen- und Innenmantel 28, 30 radial orientiert wird.
• Die der Erregerwicklung 20 zugeführte pulsbreiten-modulierte Gleichspannung ruft dort infolge des Wicklungswiderstandes einen Gleichstrom von variierbarem zeitlichem Mittelwert hervor, und dieser Gleichstrom führt auf dem Umfang des geblechten Rotorpaketes zur Ausprägung definierter magnetischer Pole mit variierbarer magnetischer Feldstärke.
• Wird der Rotor 12 von einer motorischen Antriebsquelle, z.B.
• einem Verbrennungsmotor mit Fliehkraft-Drehzahlregelung, mit konstanter Drehzahl angetrieben, wird in der Statorwicklung 16 eine sinusförmige Wechselspannung konstanter Frequenz induziert. Die Größe dieser Wechselspannung ist jedoch abhängig von der Größe der Belastung des Generators sowie von der Leistung der Antriebsquelle. Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Größe der Belastung wird durch die Konstant-Spannungsregelung eliminiert.
• Ein derartiger Generator ist insbesondere für Notstrom- und Ersatzstromversorgungsgeräte geeignet. Hiermit können Geräte wie nachrichtentechnische Apparate, die eine hochkonstante Betriebsspannung benötigen, gespeist werden. Da der Generator gegen Überlastung und Kurzschluß wirkungsvoll geschützt ist, lassen sich damit auch schweranlaufende Asynchronmotoren antreiben.
• Der beschriebene Generator ist ohne Fremd- und Hilfsspannungsquellen betreibbar, da seine Reglerschaltung bereits mit der Generatorremanenzspannung unter definierten Betriebsbedingungen arbeitet. Damit ist eine Eigen-Auferregung möglich.
• Durch die beschriebene Art der Energieübertragung ergibt sich die Möglichkeit, sämtliche relevanten Parameter einer Synchronmaschine zu regeln, hier die Parameter eines Synchrongenerators. Hierzu gehört eine Spannungsregelung bis zum Erreichen der Nennabgabeleistung oder einer konstanten Abgabeleistung. Der Syn-chrongenerator läßt sich an vorhandene, zum Antrieb dienende Verb rennungs mo to r.en anpassen. Sobald die Generatorgrenzdaten, insbesondere die maximale Generatorstromstärke, erreicht sind, wird auf Stromregelung übergegangen. Es können somit sämtliche Generatorparameter überwacht werden.
• Oben wurde die Synchronmaschine als Synchrongenerator beschrieben. Eine Maschine praktisch gleicher Bauweise läßt sich auch als Synchronmotor verwenden.
• BEZUGSZEICHEN 1 Gehäuse 3 Kühl rippen 5, 6 Lagerschild 7 Lüfterhaube 8 Welle 9 Lüfterflügel 10 Stator 12 Rotor 14 Anker 16 Statorwicklung 18 Feldmagnet 20 Erregerwicklung 22 Ringtransformator 24 Primärwicklung 26 Sekundärwicklung 28 Außenmantel 30 Innenmantel 32, 34 Abschnitt 36, 38 zylindrischer Ring 40, 42. Flansch 44 Wickelkörper 46 äußerer Befestigungsring 48 innerer Befestigungsring 50 Stromwandler 52 Hilfswicklung 54 Schaltungsteil 56 Gegentakt-Transistor-Leistungsstufe 58 Kreis 60 Silizium-Gleichrichter 62 Punkt 64 Schaltungsteil 66 Diodenträgerplatine

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Synchronmaschine in Form einer Innenpolmaschine, bei der der Rotor einen Feldmagneten und eine Erregerwicklung für Gleichstrom, der Stator einen Anker und eine Wechselstrom wicklung aufweisen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Zur Erzeugung der Erregerenergie für die Erregerwicklung des Rotors ist eine Hilfswicklung des Stators vorgesehen; b) Zur Übertragung der Erregerenergie trägt der Stator der Maschine die Primärwicklung, der Rotor die Sekundärwicklung eines Ringtransformators; c) beide Wicklungen haben im wesentlichen konzentrisch zur Drehachse der Maschine gewickelte Drähte; d) zwischen die Sekundärwicklung des Ringtransformators und die Erregerwicklung ist ein Gleichrichter eingeschaltet.
2. 2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durchfolgende Merkmale: a) Die Primärwicklung ist radial außen und an ihren Stirnseiten von einem Mantel (Außenmantel) aus weichmagnetischem Material umgeben, der gegen die Maschinenachse gerichtete Flansche (Innenflansche) hat; b) die Sekundärwicklung ist radial innen und an ihren Stirnseiten von einem Mantel (Innenmantel) aus weichmagnetischem Material umgeben, der Flansche (Außenflansche) hat, die gegen die Innenflansche des äußeren Mantels gerichtet sind; c) zwischen den Flanschen verbleibt nur der erforderliche Luftspalt.
3. 3. Synchronmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) die Primärwicklung ist auf einen Spulenkörper aus nicht magnetisierbarem Material gewickelt, der außen offen ist und sich innerhalb des Außenmantels befindet; b) der Außenmantel ist längs einer Radialebene unterteilt.
4. 4. Synchronmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenmantel und der Welle der Maschine ein zur magnetischen Isolation dienender Befestigungsring aus nicht magnetisierbarem Material vorgesehen ist.
5. 5. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter ein Vollweggleichrichter ist und die ihn speisende Sekundärwicklung einen Mittelabgriff hat.
6. 6. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Primärwicklung ein Verstärker in Form einer Gegentakt-Endstufe dient.
7. 7. Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Gegentakt-Wechselspannung einer Frequenz von etwa 1 kHz bis etwa 20 kHz an die Primärspule abgibt.
8. 8. Synchronmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Steuerungs--und Regel zwecke die Gegentakt-Wechselspannung und die daraus nach Gleichrichtung entstehende Erregerspannung pulsbreiten-moduliert sind.