DE3490392T1 - Kompakte Widerstandsanordnung für umlaufende elektrische Maschine - Google Patents

Description

Sundstrand Corporation Rockford, Illinois 61125, V.St.A,

Kompakte Widerstandsanordnung für umlaufende elektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende elektrische Maschinen, insbesondere eine kompakte Widerstandsanordnung, die vom Rotor einer solchen Maschine getragen wird.

Bei verschiedenen umlaufenden elektrischen Maschinen, z. B. bei sog. bürstenlosen Generatoren, kann es erforderlich sein, daß der Rotor einen Widerstand trägt, der an irgendeinen Teil der vom Rotor getragenen elektrischen Schaltung angeschlossen ist. Bei bürstenlosen Generatoren wird eine Feldwicklung durch Gleichstrom erregt, der von einer Gleichrichteranordnung abgenommen wird, die in bekannter Weise ihren Eingang von einer Erregermaschine empfängt. Während verschiedene Komponenten der Gleichrichterschaltung zu leiten beginnen oder aufhören zu leiten, werden Hochspannungs-Kurzimpulse erzeugt, die ausreichende Größe haben können, um Bauelemente der Halbleiterschaltung zu beschädigen, und die ferner sehr starke elektromagnetische Störungen bewirken können.

Um dieses potentielle Problem auszuschalten, ist es bisher üblich, einen Nebenschlußwiderstand vorzusehen, der parallel zu der Feldwicklung und parallel zum Ausgang des Gleichrichters geschaltet ist und durch den die Hochspannung ohne weiteres abgeführt werden kann, ohne daß dadurch der an die Feldwicklung angelegte Gesamtstrompegel merklich beeinflußt wird. Da solche Generatoren bürstenlos sein sollen, muß der Widerstand vom Rotor getragen werden.

Bisher werden solche Widerstände typischerweise dadurch gebildet, daß Widerstandsdraht um eine zylindrische Spule gewickelt wird, die ihrerseits konzentrisch zu der Rotorachse üblicherweise auf der Rotorwelle montiert wird. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Spule zu gewissen Einschränkungen hinsichtlich der axialen Länge des Rotors führt, wodurch wiederum der Rotor eine Länge erhält, die größer ist, als vom mechanischen Standpunkt erwünscht ist, und/oder daß sich mechanische Beschränkungen in bezug auf Generatorbauteile ergeben. Im allgemeinen ist es erwünscht, daß solche Generatoren möglichst kompakt gebaut sind, so daß eine größere axiale Länge des Rotors, die in einer größeren axialen Lange der Gesamtanordnung resultiert, unerwünscht ist. Insbesondere bei Verwendung solcher Generatoren in einem Luftfahrzeug ist auch das Systemgewicht häufig ein einschränkender Faktor, so daß größere mechanische Festigkeit oder höheres Gewicht infolge der Verwendung größerer Lager od. dgl., die für Rotoren relativ großer axialer Länge erforderlich sein können, vermieden werden sollten.

Die vorliegende Erfindung dient dem Zweck, eines oder mehrere der vorgenannten Probleme zu überwinden.

Hauptaufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen und.verbesserten Widerstandsanordnung zum Einsatz in einer umlaufenden elektrischen Maschine, wobei der Widerstand vom Rotor getragen werden muß.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die vorstehende Aufgabe bei einer umlaufenden elektrischen Maschine, die einen Ständer mit einem darin um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, der einen Stromleiter trägt, gelöst. Ein Widerstand ist auf dem Rotor befestigt und dem Stromleiter elektrisch zugeordnet. Der Widerstand ist in Axialrichtung des Rotors schmal und in Radialrichtung länglich, liegt jedoch innerhalb des ümfangs des Rotors.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Widerstand
einen dünnen Träger aus Isolierstoff, der sich im wesentlichen quer zur Rotorachse erstreckt.

Ferner kann der Widerstand Wicklungen aus Widerstandsdraht
umfassen, wobei jede Wicklung eine Haupterstreckung aufweist,
die als Sehne eines Kreises mit dem Mittelpunkt auf der Rotorachse angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wicklungen in zwei Gruppen vorhanden sind, wobei die Gruppen auf entgegengesetzten Seiten der Rotorachse liegen, und bevorzugt handelt es
sich um Zweidrahtwicklungen, um eine unerwünschte Induktion im Widerstand unwirksam zu machen.

Bevorzugt ist der Stromleiter des Rotors eine Feldwicklung für einen bürstenlosen Generator, und der Widerstand liegt im
Nebenschluß zum Stromleiter.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Mittel
zur Kühlung der Feldwicklungen der umlaufenden elektrischen
Maschine vorgesehen, die eine Kühlmittelströmungsbahn umfassen. Der Widerstand liegt innerhalb des Rotors und in der
Kühlmittelströmungsbahn.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher
erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer umlaufenden elektrischen Maschine, insbesondere eines bürstenlosen
Generators, mit der Widerstandsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung etwa entlang der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der von der umlaufenden elektrischen Maschine getrennten Widerstandsanordnung; und

Fig. 4 eine Ansicht der Widerstandsanordnung von der rechten Seite von Fig. 3 gesehen.

Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der umlaufenden elektrischen Maschine, die gemäß Fig. 1 einen Ständer 10 mit einem Blechkranz 12 und Wicklungen umfaßt, von denen nur die Endwindungen 14 gezeigt sind. Der Blechkranz 12 hat eine zylindrische Mittenöffnung 16, und in dieser ist ein Rotor 18 in zwei Lagern, von denen nur eines bei 20 gezeigt ist, drehbar gelagert. In bekannter Weise sind der Rotor 18 und der Ständer TO durch einen schmalen Luftspalt 22 voneinander getrennt.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Rotor 18 ein Zweipolrotor und hat Feldwicklungen, deren Endwindungen bei 2 4 und deren axiale Abschnitte bei 26 gezeigt sind.

Die Rotorwicklungen werden bei dieser Aus führungsform durch eine Kühlflüssigkeit, etwa Öl, gekühlt, und zu diesem Zweck ist eine Pumpe 28 vorgesehen, die Öl zu einem Überführungsrohr 30 fördert, das mit einer Kammer 32 im Rotorinneren in Fluidverbindung steht. Die Fluidverbindung wird durch die gezeigten Kanäle hergestellt. Öl aus der Kammer 32 strömt durch eine Öffnung 34 in einer Abstandsplatte zu einer Widerstandskammer 36, die mit den Endwindungen 24 der Rotorwicklungen in Fluidverbindung steht. Axiale Kühlmittelkanäle, die über die Längserstreckung des Rotors verlaufen, sind durch die Zwischenräume zwischen dem die axialen Abschnitte 26 der Wicklungen bildenden Draht ausgebildet, und an dem dem Übertragungsrohr 30 entgegengesetzten Ende des Rotors ist eine Sammelkammer 3 8 vorgesehen, aus der das Öl abgezogen und über eine Öl-Gas-Trenneinheit 40 zur Pumpe 28 zurückgeführt wird.

Wie gezeigt, handelt es sich bei der umlaufenden elektrischen Maschine um einen bürstenlosen Generator, und zur Erzeugung eines Stroms zu den Feldwicklungen ist eine konventionelle Erregermaschine (nicht gezeigt) vorgesehen, die normalerweise

unmittelbar rechts von den in Fig. 1 gezeigten Komponenten positioniert wäre. Im Normalfall liefert die Erregermaschine Drehstrom, der dann von einem Vollweggleichrichter (nicht gezeigt) zu Gleichstrom gleichgerichtet wird, wobei der Vollweggleichrichter typischerweise in einer Kammer 42 um das Übertragungsrohr 30 herum angeordnet ist. Von der Gleichrichteranordnung verlaufen Stromleiter (in Fig. 1 nicht dargestellt) zu den Feldwicklungen.

Wie bereits erwähnt, ist es erwünscht, daß den Feldwicklungen ein Widerstand parallelgeschaltet ist, um Hochspannungs-Kurzimpulse abzuführen, so daß keine Beschädigung von Schaltungskomponenten eintreten kann. Zu diesem Zweck ist eine Widerstandsanordnung 44 vorgesehen, die in der Widerstandskammer angeordnet ist. Die Widerstandsanordnung 44 umfaßt einen dünnen Träger 46 aus Isolierstoff, der gemäß Fig. 1 sehr schmal in Axialrichtung des Rotors und in Radialrichtung länglich ist, jedoch vollständig innerhalb des Rotorumfangs enthalten ist. Auf dem Träger 46 sind Wicklungen aus elektrischem Widerstandsdraht 48 angeordnet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 wird die Widerstandsanordnung 44 im einzelnen erläutert. Der Träger 46 ist im wesentlichen eben und kann als kartenähnlicher Spulenkörper ausgeführt sein, auf den der Widerstandsdraht 48 in zwei Gruppen bzw. 52 gewickelt ist. Der Träger 46 weist eine Mittenöffnung 54 auf, die um die Rotationsachse des Rotors zentriert ist und ein Strömen von Kühlmittel zu den ganz rechts befindlichen Endwindungen 24 gestattet. Zu einer Seite der Mittenöffnung verläuft ein Paar Schlitze 56, die voneinander beabstandet sind, und der Widerstandsdraht 48 kann vor dem Aufbringen auf den Träger 46 etwa bei 58 als Schleife herumgeführt und in den Schlitzen 56 angeordnet sein.

Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind unmittelbar radial außerhalb der Mittenöffnung 54 Schultern 60 ausgebildet, die in Axialrichtung des Rotors verlaufen. Die Enden des

von der Schleife 58 ausgehenden Drahts 48 werden um die Schultern 60 geführt und auf den Träger 46 gewickelt, bis sie an einer radial äußeren Schulter 62 auftreffen. An dieser Stelle werden die Wicklungen nach radial innen zurückgeführt unter Bildung einer doppellag igen Wicklung, bis sie wieder auf die Schultern 60 treffen. Unmittelbar innerhalb der Schulter 60 sind kleine Löcher 64 zur Aufnahme des Drahts 48 ausgebildet, und die Enden des Drahts 48, die bei 66 und 68 gezeigt sind, werden durch diese Löcher geführt und schließlich an die Rotorwicklung angeschlossen. Die Schultern 60 und 62 dienen der richtigen Positionierung des Drahts 48 während des Wickelvorgangs, der durch Drehen des Trägers 46 als Spulenkörper erfolgen kann, und um sicherzustellen, daß die Drähte während des Betriebs der umlaufenden elektrischen Maschine sich nicht lösen können, können sie mit Epoxidharz od. dgl. vergossen werden.

Die Außenfläche des Trägers 46 ist gewölbt mit einem von der Drehachse des Rotors 18 verlaufenden Radius. Auf entgegengesetzten Seiten weist die Außenfläche sich nach radial außen öffnende Positionierausnehmungen 70 für noch zu erläuternde Zwecke auf.

Der Träger 46 ist in der Widerstandskammer 38 so angeordnet, daß Bolzen, die für den Zusammenbau der Rotorkomponenten verwendet werden, oder Positionierstifte 72 in den Ausnehmungen 70 liegen, wie aus Fig. 2 am besten ersichtlich ist. Dadurch wird eine Relativdrehung zwischen dem Träger 46 und dem Rotor insbesondere während der extremen Beschleunigung beim Anfahren oder Abschalten der umlaufenden elektrischen Maschine verhindert. Innerhalb der Widerstandskammer 36 sind Anschlußelemente 74 vorgesehen, an die die Zuleitungen 76 zu den Feldwicklungen des Rotors und die jeweiligen Enden 66 und 68 der Widerstandsanordnung angeschlossen sind. Ausgangsleitungen 78 vom Gleichrichter (nicht gezeigt) sind ebenfalls an diese Anschlußele-

mente 74 angeschlossen. Damit ist die Widerstandsanordnung im Nebenschluß an die Feldwicklungen am Ausgang des Gleichrichters angeschlossen.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, besteht die Haupterstreckung der durch den Widerstandsdraht 46 gebildeten Wicklungen im wesentlichen aus Geraden, die im geometrischen Sinn Sehnen eines Kreises sind, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse des Rotors 18 liegt. Durch Nutzung dieser Beziehung wird die axiale Länge der Widerstandsanordnung 44 entsprechend minimiert.

Ferner ist zu beachten, daß die Art und Weise des Wickeins des Drahts 48 zur Bildung des Widerstands in einer Zweidrahtwicklung resultiert, wobei eine unerwünschte Induktion in den beiden Gruppen 50 und 52 neutralisiert wird. Da der Träger schmal ist und im wesentlichen quer zur Drehachse des Rotors 18 verläuft, ergibt sich eine kompakte Bauweise in Axialrichtung. Mit anderen Worten, die Achse des den Träger 46 definierenden Spulenkörpers (die von oben nach unten verläuft) schneidet die Drehachse des Rotors hinsichtlich der Wicklung und verläuft quer dazu.

Somit ist eine kostengünstige, austauschbare Widerstandsanordnung geschaffen, die das erwünschte Ziel einer kompakten Bauweise in Axialrichtung ohne eine übermäßige radiale Größe erreicht. Ihre Anordnung in der Widerstandskammer 36, die ihrerseits einen Teil der Kühlmittelströmungsbahn bildet, gewährleistet eine ausreichende Kühlung der Widerstandsanordnung, so daß eine hochzuverlässige umlaufende elektrische Maschine mit sehr geringem Gewicht und axialer Kompaktheit erhalten wird.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Umlaufende elektrische Maschine mit

- einem Ständer und

einem im Ständer um eine Achse drehbar gelagerten und einen Stromleiter tragenden Rotor,
gekennzeichnet durch

- einen auf dem Rotor (18) befestigten und dem Stromleiter elektrisch zugeordneten Widerstand (44), der in Axialrichtung des Rotors schmal und in Radialrichtung länglich ist, jedoch innerhalb des Rotorumfangs liegt.

2. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (44) einen dünnen Träger (46) aus Isolierstoff aufweist, der sich im wesentlichen quer zu der Achse erstreckt.

3. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (44) Wicklungen aus elektrischem Widerstandsdraht (48) aufweist, wobei jede Wicklung eine Haupterstreckung hat, die als Sehne eines Kreises angeordnet ist, dessen Mittelpunkt auf der Achse liegt.

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4. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (44) einen dünnen Träger (46) aus Isolierstoff aufweist, der sich im wesentlichen quer zu der Achse erstreckt, und daß Wicklungen aus elektrischem Widerstandsdraht (48) um den Träger (46) verlaufen, wobei jede Wicklung eine Haupterstreckung im wesentlichen parallel zu dem Träger (46) und als Sehne eines Kreises verlaufend hat.

5. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in zwei Gruppen (50, 52) ausgebildet sind, wobei die Gruppen auf entgegengesetzten Seiten der Achse 1iegen.

6. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (50, 52) Zweidrahtwicklungen sind.

7. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter eine Feldwicklung für den Rotor (18) aufweist und der Widerstand (44) im Nebenschluß dazu liegt.

8. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (44) an einem Ende der Feldwicklung liegt und Mittel einschließlich einer Flüssigkeitsströmungsbahn zur Kühlung der Feldwicklung vorgesehen sind, wobei der Widerstand (44) in der Flüssigkeitsströmungsbahn liegt.

9. Umlaufende elektrische Maschine mit einem Ständer und

- einem in dem Ständer um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, der eine in Axialrichtung langgestreckte Feldwicklung aufweist,

gekennzeichnet durch

einen Nebenschlußwiderstand (44), der den Feldwicklungen parallelgeschaltet und auf dem Rotor (18) angeordnet ist, wobei der Widerstand einen dünnen Träger (46) aus Isolierstoff, der sich im wesentlichen radial von der Achse und quer dazu erstreckt, sowie ein elektrisches Widerstandsmaterial (48), das auf beiden Seiten des Trägers (46) angeordnet ist, umfaßt.

10. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandsmaterial in Form von um den Träger (46) gewickeltem Draht (48) vorgesehen ist.

11. Umlaufende elektrische Maschine mit einem Ständer und

einem im Ständer um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit einem elektrischen Stromleiter, gekennzeichnet durch einen vom Rotor (18) getragenen Widerstand (44), der dem Stromleiter elektrisch zugeordnet ist, wobei der Widerstand einen Spulenkörper (46) aus Isolierstoff mit darum gewickeltem Widerstandsdraht (48) umfaßt und die Achse des Spulenkörpers (46) die Drehachse schneidet und sich quer dazu erstreckt.

12. Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (48) auf den Spulenkörper (46) in zwei Gruppen (50, 52) gewickelt ist, die auf entgegengesetzten Seiten der Drehachse angeordnet sind.

Geänderte Ansprüche

1. (geändert) Umlaufende elektrische Maschine mit einem Ständer und

- einem im Ständer um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, der einen elektrischen Stromleiter trägt,

gekennzeichnet durch

- einen auf dem Rotor (18) befestigten Widerstand (44), der dem Stromleiter elektrisch zugeordnet ist, wobei der Widerstand (44) in Axialrichtung des Rotors schmal und in Radialrichtung länglich ist, jedoch innerhalb des Umfangs des Rotors liegt und sich quer zu dessen Achse erstreckt.

2. (geändert) Umlaufende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (44) einen dünnen, im wesentlichen ebenen Träger (46) aus Isolierstoff aufweist, der sich im wesentlichen quer zu der Achse erstreckt.

9. (geändert) Umlaufende elektrische Maschine mit

- einem Ständer und

- einem im Ständer um eine Achse drehbar gelagerten Rotor mit einer in Axialrichtung langgestreckten Feldwicklung,

gekennzeichnet durch

- einen Nebenschlußwiderstand (44), der den Feldwicklungen parallelgeschaltet ist und vom Rotor (18) getragen wird, wobei der Widerstand einen dünnen Träger (46) aus Isolierstoff, der im wesentlichen radial zu der und über die Achse und quer dazu verläuft, sowie einen Körper aus elektrischem Widerstandsmaterial (48) aufweist, der auf beiden Seiten des Trägers (46) angeordnet ist.

3430392

11. (geändert) Umlaufende elektrische Maschine mit einem Ständer und

einem im Ständer um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit einem elektrischen Stromleiter,

gekennzeichnet durch einen vom Rotor (18) getragenen Widerstand (44), der dem Stromleiter elektrisch zugeordnet ist, wobei der Widerstand einen dünnen, im wesentlichen ebenen Spulenkörper (46) aus Isolierstoff mit darum gewickeltem Widerstandsdraht (48) aufweist und die Achse des Spulenkörpers (46) die Drehachse schneidet und quer dazu verläuft.