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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen und betrifft
insbesondere Einphasen-Ring-Drehtransformatoren.
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Die Erfindung kann zu einer kontaktlosen Übertragung einer transformierten
Elektroenergie von ruhenden Teilen einer elektirschen Maschine oder einer anderen
elektromechanischen Einrichtung zu deren rotieren den zeilen, oder umgekehrt, verwendet
v3erden.
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Es ist ein Fingtransformator mit umlaufenden Sekundarwicklungen und
radialen Luftspalten (CH-PS 396131, Int. Kl. H02f, A965) bekannt. Hier sind der
aus rechteckigen longitudinalen und ringförmigen radialen Kernblechen geschichtete
feststehende Magnetleiter ebenso wie der umlaufende Magnetleiter mit dem Gehause
und der Volle durch Keile verbunden.
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Es ist ein Ringtransformator (s. einen Beitrag von Kracke Günter
"Rotierende Stromrichtererregung von Synchronmotoren, Blindleistungsmaschinen und
Stromrichtermotoren "Siemens-Z", 1970, 44, Nr. 5, S. 305 bis 309) bekannt. Diese
Konstruktion enthalt aus Kernblechen in Längsrichtung geschichtete Pakete des feststehenden
Magnetleiters und einen aus ungleichen longitudinalen und aus gleichen halbringförmigen
radialen Kernblechen geschichteten umlaufenden Magnetleiter. Derartiger Transformator
wurde fur eine kontaktlose Übertragung der Erregerleistung an die umlaufende Erregerwicklung
eines Synchronmotors grosser leistung ausgenutzt.
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Von Vorteil bei den bekannten Transformatoren ist eine radiale Anordnung
der Luftspalte, die deren praktisch gleichbleibende magnetische Leitfähigkeit bei
geringen Axialverschiebungen des rotierenden Teiles gewahrleistet.
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Das Vorhandensein von zwei bis vier zusätzlichen BuCtspalten im Eisenweg
des magnetischen Hauptflusses an den Stopstellen der longitudinalen und transversalen
Blechpakete des Magnetleiters hat aber eine Vergrösserung des Leerlaufstroms zur
Folge und macht eine hochzuverlässige Isolierung zwischen den Blechen an den ringförmigen
Abschnitten des Magnetleiters und eines Radialschnittes an
diesen
Abschitten notwendig, um Kreis-Wirbelstrome in diesen abzuschwachen. Die Herstellung
der longitudinalen Pakete erfordert eine recht komplizierte Technologie.
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Die Magnetleiter des feststehenden und des umlaufenden Teiles sind
auch Kernblechen verschiedener Konfiguration ausgeführt, was dazu zwingt, verschiedenes
Stanzwerkzeug anzuwenden.
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Die Unmbglichkeit, die Wicklungen abzubauen, ohne dass der Magnetleiter
selbst auseinandergenommen wird, bedingt erhebliche Parameteränderungen bei diesem
nach dessen wiederholtem Zusammenbau.
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Die Ringkanäle fur die Spulenwicklungen (Primar-und Sekundarwicklung)
sind verschieden gross ausgefiihrt, was die Herstellung der Spulen erschwert, denn
für die Spulenwicklung wird verschiedene Ausrüstung erforderli ch.
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Am nächsten liegt nach dem technischen Wesen ein Ringtransformator
mit stirnseitigen Luftspalten (NO-PS 120694, Kl. 21d248, 1971 und Beitrag von S.Bojar--Sazonovich,
E. Stamataki "Drehtransformator mit stirnseitigem Luftspalt zur Speisung der Erregerwicklung
eines kontaktlosen Genera-t;ors Zeitschrift "Elektrotekhicheskaja promyshlennost"
(Elektrotechnische Industrie), Ausgabe 261, 1966, S. 12 bis 13), der einen feststehenden
Magnetleiter (Stander) und einen von diesem durch stirnseitige Luftspalte abgetrennten
umlaufenden Magnetleiter (Laufer) enthält, die beide in Längsrichtung aus gleichen
Kernblechen geschichtet und in deren gleichen einander zugekehrten stirnseitigen
Ringnuten eine feststehende ringförmige (Stånder) wicklung und eine umlaufende ringförmige
(Läufer)wicklung angeordnet sind.
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Dieser Transformator wurde für eine kontaktlose Übertragung der elektrischen
Leistung an den Laufes eines Synchron generators eingesetzt. Im bekannten Transformator
sind Bleche des feststehenden und des umlaufenden Magnetleiters genormt, zusätzliche
Luftspalte im magnetischen
Kreis eliminiert, Wicklungen vereinheitlicht.
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Jedoch bleiben auch im bekannten Transformator eine Reihe von Problemen
umgelöst, zu denen gehören: - Kompliziertheit einer gleichmässigen Anordnung, der
Befestigung und Zusammenfügung von Blechen des feststehenden und des umlaufenden
Magnetleiters; - erhebliche Schwierigkeiten bei der Sicherung der Bestandigkeit
der stirnseitigen Spalte bei der Fertigung und im Betrieb, die sich ganz besonders
bei Maschinen allgemein industrieller Bestimmung mit einer beträchtlichen Ausstosszahl
bemerkbar machen; - grosser magnetischer Widerstand der stirnseitigen Spalte, der
einen Durchfluss von grossen Magnetisierungsstromen in der feststehenden Wicklung
bedingt, wahrend die erzwungene Anwendung halbgeschlossener Nuten, um die magnetische
LeitfÄhigkeit der Luftspalte zu erhöhen, eine Vergrösserung von Nutenstreuflüssen,
eine Zunahme induktiver Streuwidersiande der Wicklungen und als Folge dessen eine
Verschlechterung der Energiekennwerte des Transformators im ganzen herbeifuhrt.
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Es sei auch zu bemerken, dass die Anwendung der halbgeschlossenen
Nuten die Ausfuehrung von lediglich Iaufelwicklungen mit einer Durchtrankung erst
nach der Einbettung zulässt, was zu einer praktischen Untrennbarkeit der Wicklungen
bei deren Austausch oder Reparatur fuhr t.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einphasen-Ring-DrehtransSormator
zu schaffen, bei dem die konstruktive Ausfuhrung der Magnetleiter es gestattet,
den Leerlauf strom bei offenen Nuten geringer zu halten, wodurch die Konstruktion
und die HersteNungstechnologie vereinfacht, die Stabilität der Parameter bei der
Herstellung, im Betrieb und bei der Reparatur gesichert und die Energiekennwerte
verbessert werden.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Einphasen-Ring-Drehtransformator,
der einen fest-
stehenden Magnetleiter und einen von diesem durch
stirnseifige Luftspalte abgetrennten umlaufenden Magnetleiter enthalt, die beide
aus gleichen Kern blechen geschichtet und in deren einander zugekehrten stirnseitigen
Ringnuten eine feststehende und eine umlaufende Ringwicklung angeordnet sind, gemaß
der Erfindung die Magnetleiter aus 1-formigen Kernblechen in der Weise geschichtet
sind, dass der lange und der kurze Schenkel der Kernbleche des feststehenden Magnetleiters
gegenüber dem kurzen bzw, langen Schenkel der Kernbleche des umlaufenden Magnetleiters
liegen und auf verschiedenen Entfernungen von der Drehachse zusätzlich zwei radiale
Luftspalte mit grosser magnetischer Leitfahigkeit bilden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an einem konkreten Ausfuhrungsbeispiel
anhand der beige legten Zeichnungen naher eriåutert. Es zeigt Fig. 1 die erfindungsgemässe
Konstruktion eines Einphasen-Ring-Drehtransformators im Längsschnitt; Fig. 2 die
erfindungsgemasse Konstruktion des Einphasen-Ring-Drehtransformators im Querschnitt.
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Der Einphasen-Ring-Drehtransformator enthålt einen feststehenden
Magnetleiter als Ständer und einen umlaufenden Magnetleiter als Laufer> deren
Pakete aus feststehenden L-formigen fächerartig angeordneten Kernblechen 1 und 2
(Fig. 1 und 2) geschichtet sind. Die ringförmige Ständerwicklung 7 und die ringförmige
LåuSerwicklung 4, die, falls notwendig, mit gleichen Massen ausgefuhrt werden, sind
in entsprechenden ringförmigen Stander- und Läufernuten untergebracht. Die Standerpakete
sind in Radialrichtung am Gehause 5 festgehalten und können zusätzlich in verschiedenen
Verfahren befestigt werden. Die Läuferpakete sind in Radialrichtung an der auf die
Welle 7 aufgesetzten Nabe 6 festgehalten und können auch zusätzlich befestigt werden.
Zwischen dem langen Schenkel der Ständerbleche 1 und dem kurzen Schenkel der Lauferbleche
2 ist in einer grösseren Entfernung von der
Drehachse ein radialer
Luftspalt 8 gebildet. Zwischen dem kurzen Schenkel der Standerbleche 1 und dem langen
Schenkel der Lauferbleche 2 ist in einer kleineren Entfernung von der Drehachse
ein radialer Luftspalt 9 gebildet. Die Magnetleiter des Ständers und des Läufers
sind in Axialrichtung voneinander durch stirnseitige Luftspalte 10 und 11 abgetrennt.
Die radialen IuStspalte 8 und 9 und die stirnseitigen Luftspalte 10 und 11 lassen
den Laufer innerhalb des Standers umlaufen.
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Der Magnetfluss 12 ist unipolar und schliesst in sich in der Axialebene
ein. Die stirnseitige Anordnung der offenen Ringnuten fbr die Spulen, die eine rennbarkeit
der Wicklungen 3, 4 ermoglicht, und die Anwendung nur radialer Schichtung der Pakete
der Stander- und iuferbleche 1 bzw. 2 gestatten es, den feststehenden und den umlaufenden
Teil des Magnetleiters in Form einzelner un zerle gbarer Eostruktionea ohne zusätzliche
konstruktive Spalte auszufuhren.
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Die Gr"osse der stirnseitigen Luftspalte 10 und 11 wird um ein Vielfaches
mehr als die der radialen Luftspalte 8 und 9 gewahlt. Aus diesem Grunde ist deren
Anteil in der gesamten magnetischen Leitfahigkeit gering, und die geringfugigen
Axialverschiebungen des rotierenden Teiles des Transformators samt der Welle 7 (was
bei Vorhandensein eises Spiels in den Lagern und bei Warmeaudehnungen der Welle
der Fall ist) bleiben praktisch ohne Wirkung auf den Gesamtwert der magnetischen
Leitfåhigkeit und also auf den Wert der Parameter des Transformators.
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Der Ringtransformator arbeitet wie folgt.
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Bei der Speisung einer der Wicklungen, beispielsweise 3 (Fig. 1),
durch einen Wechselstrom bestimmter Frequenz, wird ein unipolarer magnetischer Wechselfluss
12 erzeugt, der, indem er seinen Kreis über den Magnetleiter in den Axialebenen
findet, die andere Wicklung, beispielsweise 4, schneidet und in dieser eine Wechselspannung
induziert. Dies ist der Fall unabhängig von der Drehrichtung
un
-zahl des Låufers und allen Ringtransformatoren eigen.
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Beim Anschluss einer Last an die Wicklung 4 fliesst über sie ein Wechselstrom
der gleichen Frequenz Die Entstehung einer Wediselkomponente in der EMK der Wicklungen
bei der Rotation wegen einer zweiseitigen Zahnung des Spaltes 8, kann, falls erforderlich,
durch Auswahl einer ungeraden Zahl der Pakete der Ständer- und gåuSerbleche 1 bzw.
2 beseitigt werden.
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Dank einer grossen Axiallänge der Spalte 8 und 9 werden deren magnetische
Leitwerte beträchtlich erhöht. Dieser Umstand führt ungeachtet des Vorhandenseins
der zweiseitigen Zahnung des Spaltes 8 zu einer Abnahme des Leerlaufstroms des Transformators
um das 2,5 bis 3fache.
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Die Ausnutzung der gleichen L-förmigen Kernbleche 1 und 2 zur Schichtung
der Stånder- und Lauferblechpakete, die es gestattet, die Stanzwerkzeuge für die
Bleche, die Wickeldorne für die Spulenwicklung vor der Einbettung in die Nuten zu
normen, die Anwendung der Schweissung bei der Montage des Magnetleiters des Transformators
verbessern erheblich die Konstruktion, die Technologie und die technisch-ökonomischen
Kennziffern des erfindungsgemässen Ringtransformators.
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Die Abnahme des Leerlaufstroms führt zu einer Verringerung des Verbrauches
von aktiven Materialien (Kupfer und Elektroblech als Folge einer Verminderung des
Volumens des Transformatorfensters), zu einer Erhöhung des Leistungsfaktors und
des Wirkungsgrades um durchschnittlich 30 bzw. 20 %, was bei einer Serienfertigung
einen beträchtlichen ökonomischen Nutzen erbringen kann.
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Es wurde ein Versuchsmuster des Einphasen-Ringtransformators der
erfindungsgemassen Bauart mit einer Leistung von 1 kW zur kontaktlosen Übertragung
einer Erregerleistung an den LåuSer eines Synchrongenerators mit einer Leistung
von 30 kW (n = 1500 U/min, U = 400 V, f = 50 Hz, Erregung erfolgt als Selbsterregung
von der zusatzlichen Standerwicklung des Generators, nåmlich
von
der dritten Harmonischen des Feldes mit fG = 150 Hz) hergestellt und erprobt.
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Der Transformators tan der mit der feststehenden Wicklung 7 wurde
auf dem Lagerschild des Generators angeordnet, während der Laufes mit der umlaufenden
Wicklung 4 auf das Wellenende (an Stelle von Schleifringen) aufgesetzt wurde. Hierbei
wurden die Pakete der Stander- und der Låuferbleche 1 bzw. 2 des Transformators
in mit dem magnetischen Hauptfluss schwach verketteten Zonen (von der Aussenseite
der radialen Abschnitte der Stander- und Lauferblechpakete des Transformators) an
stahlerne Befestigungsringe zusätzlich angeschweisst. Die Spulen wurden in den Ringnuten
durch Keile aus unmagnetischem Isoliermaterial (Textolit) festgehalten.
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Die feststehende Transformatorwicklung 3 wurde von der genannten
Zusatzwicklung des Generators durch einen Wechselstrom gespeist, während die umlaufende
Wicklung 4 die Erregerwicklung des Generators über einen am rotierenden Läufer angeordneten
Einphasengleichrichter in Brückenschaltung speiste. Durch die Herstellung des Versuchsmusters
wurde die industrielle herstellungstechnische Realisierbarkeit der beschriebenen
Konstruktion bestätigt. Die Prüfungen des Musters ergaben die Funktionsfahlgkeit
und die Zuverlässigkeit der Konstruktion, eine hohe Stabilitat der Parameter nach
zahlreichen Montagen-Demontagen, deren Übereinstimmung mit den Rechenwerten, recht
hohe Energiekennwerte und Betriebswerte wahrend der Arbeit.