DE3687046T2

DE3687046T2 - Motorgenerator fuer wechselstrom.

Info

Publication number: DE3687046T2
Application number: DE8686301532T
Authority: DE
Inventors: Ronnie J Barber; Roesel, Jr
Original assignee: Precise Power Corp
Current assignee: Precise Power Corp
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2006-03-05
Also published as: MX160260A; AU588858B2; DE3687046D1; EP0195551A3; EP0195551A2; AU5415486A; JP2593444B2; US4663536A; EP0195551B1; ATE82092T1; CA1245716A; IN165322B; JPS61221600A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motor-Generator-Einheit für ein unterbrechungsfreie Stromversorgung (NIPS).
Elektrische und elektronische Geräte benötigen oft Gleichstrom mit relativ konstanter und präziser Charakteristik um richtig zu funktionieren. Für derart empfindliche Geräte kann jede wesentliche Änderung der Frequenz oder der Spannung über gewisse untere oder obere Grenzen, oder momentane oder kurze, komplexe Netzunterbruch zu ernsthaftem Versagen oder fehlerhaftem Funktionieren führen und Verlust und Beschädigung des empfindlichen Geräts oder seiner Funktionen, oder von beidem kann geschehen. Computer z. B. können ihre Programme verlieren oder die Aufgabe, die sie gerade bearbeiten nicht richtig lösen und haben Datenverlust und elektrische Maschinen, die von Computern gesteuert werden, und/oder das Material, das gerade bearbeitet wird, können wegen einer kurzen Wechselstromstörung von nur einigen Perioden und geringe Netzstörungen von 20% Überspannung oder Unterspannung und Hochspannungs-Spitzen oder Freqenzänderungen von nur einem halben Herz beschädigt werden.
Die meisten elektrischen und elektronischen Geräte sind am öffentlichen Wechselstrom-Netz angeschlossen und normalerweise sind diese öffentlichen Stromnetze ziemlich zuverlässig und liefern Wechselstrom einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Frequenz. Doch ist gut bekannt, daß öffentliche Stromnetze eine Vielzahl geringer Fehler aufweisen, oft mehrere Tausend im Jahr, wobei diese Fehler wesentliche Spannungsänderungen, Unterspannung wie Überspannung, häufige, kurze Ausfälle von wenigen Perioden bis zu einigen Sekunden und gelegentlich größere Wechselstromfehler und totale Stromunterbrüche über bedeutende Zeiträume, von mehreren Minuten bis zu einem oder mehreren Tagen. Besondere Witterungsverhältnisse, Feuer, Unfälle und ähnliche Vorfälle können zusammen mit den üblichen Betriebsverfahren für das öffentliche Netz unter diesen Bedingungen, können zu größeren Spannungsabfällen, die als "brownouts" bezeichnet werden, oder zu längeren Totalausfällen führen. In der typischen Stromversorgung dauern weniger als 5% dieser Unregelmäßigkeiten und Störungen mehr als 10 bis 15 Sekunden. In einer kürzlichen, über vier Monate gemachten Studie einer größeren öffentlichen Stromversorgung wurden neben vielen unbedeutenden Netzstörungen etwas über 100 Netzstrom-Probleme festgestellt, die in der rage gewesen wären, Computer ernsthaft zu stören: In dieser Periode hatte das Netz 8 Totalausfälle von weniger als 0.5 Sekunden, 7 Totalausfälle von 0.5 bis 1 Sekunde, 5 Ausfälle von 1 bis 30 Sekunden Dauer und 3 waren über 30 Sekunden lang. Andere Netze können eine größere Anzahl und andere Arten von Netzstörungen aufweisen. Allgemein gilt aber, daß 1% bis 5% aller namhaften Störungen 30 Sekunden überschreiten.
Um empfindliche elektrische und elektronische Geräte gegen Wechselstrom-Netzunregelmäßigkeiten zu schützen, wurde eine Vielfalt von Schutzvorrichtungen zum Zwischenschalten zwischen Netz und Gerät vorgeschlagen. Einige dieser Schutzvorrichtungen sind darauf ausgelegt, minimalen Schutz zu niedrigen Kosten zu bieten und enthalten Spitzenunterdrücker, Netzfilter und dergleichen. Für besseren Schutz können teurere Geräte wie Trenntransformatoren und Spannungsregler verwendet werden. Zum Schutz gegen Spannungs- Spitzen und ähnlichen Spannungs- und Frequenzunregelmäßigkeiten und auch zur Stromabgabe während kurzen Stromunterbrüchen von etwa 1/10 Sekunde bis im Maximum 1/3 Sekunde, werden teurere Motor-Generator-Anlagen verwendet. Doch die erhältlichen Motor-Generator-Anlagen, die normalerweise kontinuierlich im Betrieb sein müssen, haben eine relativ niedrige, elektrischen Gesamtwirkungsgrad, der im Bereich von etwa 65% bis 75% für 10 bis 20 kW-Anlagen und nur geringfügig höhere Wirkungsgrade für stärkere Anlagen von 50 bis 100 kW. Zudem ist deren Überbrückungszeit von weniger als etwa 1/3 Sekunde nicht ausreichend, die Leistung in den vielen Fällen zu erbringen, die von etwa 1/3 Sekunde bis zu 15 oder 60 Sekunden dauern, noch schaffen sie genügend Zeit, um die Leistung mit einer Notstromanlage erbringen zu können. Für den besten Schutz gegen Stromunterbrüche von wenigen Sekunden und bis zu einigen Stunden Dauer, werden oft komplexe und teure Systeme verwendet, die Speicher-Batterieanlagen, gekoppelt mit elektrischen Konvertern und elektronische Regelanlagen und Batterie-Ladegeräte umfassen. Diese Batterie-Systeme erfordern einen separaten Batterie-Raum, brauchen häufigen und beträchtlichen Unterhalt und in vielen Fällen ist der Ersatz der Batterien nach nur 3 bis 4 Betriebsjahren erforderlich.
Wo die elektrischen Geräte und Apparate jederzeit mit elektrischem Strom versorgt werden müssen, wie in Spitälern und Polizeiposten, ist es gewöhnlich notwendig, Notsysteme zusätzlich zum normalen Netzverbund vorzusehen, welche einen Hilfs-Benzin- oder Dieselmotor getriebenen elektrischen Generator umfassen, der in Betrieb gesetzt wird, wenn das Wechselstromnetz vollständig ausfällt. Es dauert bei einem gut instand gehaltenen Motor-Generator-Einheit einige wenige Sekunden, typisch 5 bis 10 Sekunden, um diese zu starten und bis sie Strom liefert, wenn die öffentliche Netzversorgung vollständig ausfällt. Während diesen wenigen Sekunden erleiden Computer und andere empfindliche Geräte, die damit verbunden sind, oder durch den Computer geregelt sind, oft Programm-, Speicher- und Datenverluste, oder die Geräte werden effektiv beschädigt.
Um bis zu etwa 98% der Netzstörungen und -fehler zu begegnen ist es höchst wünschenswert, einen relativ wenig kostenden, unterbrechungsfreie Stromversorgung (NIPS) zu haben, welche den normalen Wechselstrom von einer Netzlinie oder einer Wechselstromquelle nimmt und einen Wechselstrom einer ausgewählten, im wesentlichen konstanten Frequenz und Spannung erzeugt, der unabhängig von irgendwelchen Netzunregelmäßigkeiten, eingeschlossen totale Netzausfälle von 15 Sekunden bis zu einer Minute, an einen empfindlichen Verbraucher abgegeben wird, wobei eine solche NIPS-Einheit elektrisch wirksam, leicht und kostengünstig im Gebrauch und Unterhalt und sehr zuverlässig sein muß. Eine solche 15 Sekunden bis zu einer Minute dauernde Durchhalte-Periode ermöglicht es den Bedienern die empfindlichen Geräte, sicher abzustellen und eine Arbeit, die mit einem Roboter oder einer computergesteuerten Vorrichtung verrichtet wird sicher zu verrichten oder davon wegzunehmen und dabei den Schaden an den Apparaten und/oder am Werkstück zu minimieren oder ganz zu verhindern. Die vorliegende Erfindung wird eine NIPS-Einheit schaffen welche diese gewünschten Merkmale aufweist. Wo die dauernde Wechselstrom-Speisung zu einem Verbraucher jederzeit während der Übergangszeit verlangt ist, reicht eine derartige NIPS aus, um den Start eines Hilfsgenerators zu ermöglichen, um den NIPS-Motor mit Wechselstrom zu versorgen, so daß dieser fortfahren kann, den empfindliche Verbraucher ohne Unterbruch mit dem erforderlichen Wechselstrom zu versorgen.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verbesserung von früheren Erfindungen eines der hier genannten Erfinder, wie sie in der US-Patenten No. 3.521.149, erteilt am 21. Juli 1970, mit dem Titel "Elektrischer Stromgenerator"; 3.931.535, erteilt am 6. Januar 1976, betitelt "Konstant-Frequenz Motor- Generator-Anlage mit nur einem Rotor"; und 4.168.459, erteilt am 18. September 1979, betitelt "Nichtunterbrechendes Netzversorgungs-System". Eines der kritischen Probleme, denen man beim Bau und Betrieb der Motor-Generator-Einheiten nach diesen Patenten begegnete, war, einen sparsamen, Motor vernünftiger Größe zu finden, der in der Lage war, die Einheit auf volle Drehzahl zu bringen und dann die Einheit bei dieser vollen Drehzahl bei Wechselstrom Vollast zu treiben. Es wurde gefunden, daß, um die höchste praktische Trägheitsmoment mit diesen patentierten Generator-Systemen zu erzielen, ein Zweipol-Rotor bei etwa 3600 Umin&supmin;¹ wenn 60 Hz Wechselstrom und etwa 3000 Umin&supmin;¹ wenn 50 Hz Wechselstrom geliefert werden soll, geeignet ist. Kein ausreichend brauchbarer elektrischer Wechselstrom-Motor war kommerziell erhältlich, noch war einer bekannt, der starten würde und den Motor und den Generator-Rotor auf volle Drehzahl ringen würde. Eine 7.5 KW-Einheit, wie sie in Fig. 1 des US-Patents 4.168.459 gezeigt ist hat ein Trägheitsmoment von etwa 240 lb-ft im Quadrat und NEMA Richtlinien empfehlen unter diesen Bedingungen, zum Starten und Beschleunigen eines derartigen Generators, einen 300 PS Induktionsmotor. Viele große Hersteller von Elektromotoren wurden angefragt und keiner war in der Lage einen Motor vernünftiger Größe zu einem vernünftigen Preis zu liefern oder nur zu empfehlen, der für diese Anwendung befriedigend gewesen wäre. Verschiedene große Hersteller haben Muster von speziell angefertigten, Induktionsmotoren mit besonderen Start- Steuerungen geliefert, die getestet wurden und alle zeigten ernsthafte Mängel im Betrieb bei dieser Anwendung.
Um diese kritischen Schwierigkeiten zu überwinden, hat der Erfinder dieser Patente die bestgeeignete Kombination von zwei Wechselstrom-Motoren von etwa 10 PS (7.5 kW), ausgedacht, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, welche einen speziell gebauten Induktionsmotor mit einem Hochwiderstands-Rotor und einen laufenden Motor von etwa 20 PS (15 kW) zeigt, der einen konventionellen Hochleistungs-Induktionsmotor für die Übernahme des Antriebs des Motor-Generators, nachdem der Starter-Motor den kombinierten Generator und Motor auf etwa 75% bis 80% der vollen Drehzahl gebracht hat. Eine Reihe von NIPS, die im Patent gezeigt sind wurden gebaut und waren während einigen Jahren kommerziell betrieben. Die beiden Motoren brauchten etwa 4 Minuten, um die Motoren auf volle Drehzahl zu bringen. Weiter haben die Verwendung von zwei Motoren und die notwendigen Schalter, Zwischenverbindungen und Steuerungen offensichtlich die Kosten wesentlich erhöht und den Gesamtwirkungsgrad der NIPS vermindert. Es war kein Synchronmotor bekannt oder erhältlich, der für die Verwendung in der im US-Patent 4.169.459 patentierten Vorrichtung, oder als der zweite oder Läufer-Motor geeignet gewesen wäre. Zweipol-Synchronmotoren sind ungewöhnlich und haben die Synchron-Geschwindigkeit zu erreichen, selbst wenn an sie nur eine geringe Last gekoppelt ist. Weiter werden sie kaum kleiner als für 1000 kW gebaut. Deshalb, mußte in der Kombination nach US-Patent 4.168.459 der zweite oder Läufermotor ein Induktionsmotor sein, der gezwungenermaßen immer unterhalb der Synchrondrehzahl lief und demzufolge waren die Erregerspulen im Generator ständig zu speisen, um das Muster der magnetischen Nord- und Südpole der Schichten des permanentmagnetischen Materials zu korrigieren, so daß der Generator-Wechselstrompotential- Output mit der gewünschten, konstanten Frequenz und Spannung erfolgte.
Die Erfinder haben einen neuen Synchronmotor entwickelt, der besonders für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung angepaßt ist, der, obschon er relativ klein ist, ein hohes Start- und Betriebs-Drehmoment abgibt, so daß er die NIPS-Einheit leicht aus dem Stillstand in Drehung versetzen und ruhig und rasch auf Betriebsdrehzahl beschleunigen kann, während er eine hohe Trägheitsbelastung erfährt und die Synchronisations-Geschwindigkeit leicht erreichen und beibehalten kann, dies alles mit extrem hohem elektrischem Wirkungsgrad und ohne hohe oder übermäßige Startströme zu ziehen.
Während US Patent 3.391.535 lehrt, wie z. B. in Fig. 4 gezeigt, einen Induktionsmotor und einen Wechselstrom-Generator mit einem unitären Rotor zu kombinieren, war zur Zeit als diese Kombination vorgeschlagen wurde, diese in erster Linie für Frequenzwandler und dergleichen gedacht (siehe Kolonne 1, Linien 27 bis 31) mit keinen besonderen Anforderungen für lange Überbrückungszeiten, welche einen Motor erfordern, der ein extrem hohes Trägheitsmoment hat. Eine solche kombinierte Struktur wäre weniger praktisch oder geeignet bei Hoch-Trägheitsmoment-Anwendungen, denn sie würde einen stark überdimensionierten Induktionsmotor von gut über 50 bis 60 PS (37 bis 45 kW) verlangen um die hohe anfängliche Trägheitslast zu überwinden und mit einem annehmbaren Schlupf bei voller Drehzahl zu funktionieren und den Generator zu drehen der eine Ausgangs-Nenn-Leistung von z. B. 7.5 kW bis 10 kW hat. Diese große Ungleichheit zwischen Motor- und Generatorleistung und Größe wäre nicht nur übermäßig teuer, sondern ziemlich unwirtschaftlich. Kein bekannter oder erhältlicher Synchronmotor könnte in einer derartigen, kombinierten Einheit verwendet werden da Synchronmotoren sehr enge Toleranzen aufweisen für die Bedingungen, unter denen sie die volle Synchrongeschwindigkeit erreichen. Sie starten induktiv und beschleunigen bis zu einem Punkt kurz unterhalb der Synchrongeschwindigkeit. Dieser letzte Schritt beschränkt die Trägheitslast, die angelegt werden kann, bei den bekannten Synchronmotoren auf einen geringen Wert.
Keines dieser zum Stand der Technik gehörenden Patente lehrt oder offenbart viele der kritischen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Insbesondere sind Rückkopplungs-Spulen beim Motor und beim Generatorstator der vorliegenden Erfindung vorhanden, bei welchen die Art der Verwendung und der elektrischen Schaltung zum Ankoppeln ihres Ausgangs-Wechselstroms an die Wechselstromspannung, die in ihren Erregerspulen erzeugt werden, neu und weit weg von der Lehre des Standes der Technik sind. So wird im Generator die Wechselstrom-Ausgangs-Spannung der Rückkopplungs-Spulen zum Generator mit einer Schaltung erreicht, bei der, solange die Synchrongeschwindigkeit vorhanden ist, diese Wechselstrom-Spannung so angelegt wird, daß jede gleichzeitig vorhandene Wechselspannung wirksam kompensiert oder jeder in den Erregerspulen erzeugte Wechselspannung unterdrückt wird. Weil der Generator bei den meisten Anwendungen mit synchroner Geschwindigkeit dreht, können die Erregerspulen einfacher und in geeigneterer Weise mit Wechselspannung beeinflußt werden, die direkt von einer Frequenz- und Spannungsregelung kommen. Es gibt keinen bekannten Motor mit nur einer Erregerspule zum Magnetisieren einer Schicht von permanentmagnetischem Material am Rotor, und mit einer Rückkopplungs-Wicklung und einem damit kombinierten Resonanzkreis, wobei keine externe Wechselstromquelle für das Erregen der spulen erforderlich ist. Weiter gibt es eine neue Anordnung der Leistungs-Wicklung im Generator-Stator die genaue Spannungen abgibt.
Die Erfindung besteht in einer Motor-Generator-Einheit, für ein unterbrechungsfreies Stromversorgung-System (NIPS), wobei der Antriebsmotor von einer Quelle mit Wechselstrom, der Spannungs- und Frequenzunregelmäßigkeiten und vollständigen Stromunterbrechungen für unterschiedliche Zeitabschnitte ausgesetzt sein kann, erregt wird, wobei der Generator an eine Last Wechselstrom einer gewünschten im wesentlichen konstanten Frequenz und Spannung jederzeit, wenn die Wechselstromquelle den Antriebsmotor mit nutzbarem Wechselstrom versorgt, und für eine Zeitdauer in der Größenordnung von Sekunden während Stromunterbrechungen liefern kann, wobei die Motor-Generator-Einheit einen Träger, einen Synchronmotor auf dem Träger mit einem Stator mit Wicklungen, die mit Wechselstrom von einer Quelle zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes erregt werden, und einem Rotor, der einen Kern mit einer daraufliegenden Schichten aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff umfaßt wobei der Motor, der ein großes Drehmoment bei allen Drehzahlen vom Anlauf bis zur vollen Synchrondrehzahl entwickelt, mit dem Wechselstromgenerator verbunden ist und diesen antreibt, und einen Wechselstromgenerator, der am Träger befestigt ist und einen Rotor mit großer rotierender Masse umfaßt, der einen zylindrischen, zum Rotieren auf Lagern auf dem Träger befestigten Mantel enthält, wenigstens einen Kernkörper aus Weichmagnetwerkstoff, der an der innenseitigen wand des Mantelelementes befestigt ist und eine innere zylindrische Seite aufweist, auf der eine Schicht aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff befestigt ist, wobei die Schicht eine exponierte zylindrische Oberfläche koaxial mit der Rotationsachse des Mantelelementes aufweist, der Stator des Generators ein Wellenelement, das an dem Träger befestigt ist und innerhalb des Mantelelementes angeordnet ist, wenigstens einen Kernkörper aus Weichmagnetwerkstoff mit einer mit Nuten versehenen äußeren Oberfläche und an dem Wellenelement befestigt, wobei die mit Nuten versehene Oberfläche koaxial angrenzend und im wesentlichen von gleicher Ausdehnung mit der magnetischen Schicht auf dem Rotor ist und mit einem Rotationszwischenraum dazwischen, und eine Vielzahl von Nuten in der zylindrischen Oberfläche, wobei die Nuten im allgemeinen axial angeordnet sind, umfaßt, Wechselstrom erzeugende Wicklungen in den Statornuten, zwei benachbarte Nuten in jedem Generatorkernkörper mit einem dazwischenliegenden Polstück, um das eine Erregerspule angeordnet ist, wodurch, wenn die Erregerspule mit Einphasenwechselstrom versorgt wird, das Polstück einen starken magnetischen Fluß alternierender Polarität ausüben wird, so daß die an das Polstück angrenzende Schicht aus Dauermagnetwerkstoff während der Rotation des Rotors in ein ausgewähltes Muster von Nord- und Südmagnetpolen magnetisiert wird, eine Rückkopplungswicklung in ausgewählten Nuten in jedem Generatorstatorkern, so daß während synchroner Rotation des Rotors die magnetischen Pole in der Schicht ein Wechselstrompotential sowohl in, den Rückkopplungswicklungen als auch in der Erregerspule erzeugen werden, und wobei die Wechselstrompotentiale in beiden im wesentlichen gleich sein werden und eine elektrische Schaltung, die Rückkopplungswicklungen und die Erregerspule verbindet, so daß die Wechselstrompotentiale sich jeweils gegenüberstehen werden und die so erzeugten Wechselstrompotentiale in der Erregerspule unterdrücken werden, und Mittel zum Liefern von Einphasenwechselstrom einer gewünschten Frequenz zur Erregerspule, so daß eine solche Erregerspule die an sie angrenzende Schicht aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff in das gewünschte Muster von Nord- und Südmagnetpolen magnetisieren wird, wodurch die im wesentlichen konstante Wechelstromfrequenz in den Wechselstromwicklungen induziert wird, enthält.
Die NIPS-Einheit wird gewöhnlich mit Wechselstrom aus dem öffentlichen Netz, oder einer andern Wechselstromquelle versorgt, die eine große Vielfalt von Wechselstromnetz- Störungen, eingeschlossen gelegentliche Netzunterbrüche, aufweist. Der Motor der NIPS-Einheit ist ein Synchronmotor, der einen relativ geringen Startstrom-Bedarf hat und direkt am Netz angeschlossen werden kann und der in der Lage ist, die hohen Trägheitsmomentlasten des gemeinsamen Motor- und Generator-Rotors zu beschleunigen, so daß diese leicht und rasch die Synchrondrehzahl erreichen, ohne daß übermäßig Strom gezogen wird. Der Generator erzeugt Wechselstrom einer ausgewählten, im wesentlichen konstanten Frequenz und Spannung, für empfindliche Verbraucher, unabhängig von Netzstörungen und selbst vollständigen Netzunterbrüchen von 15 Sekunden bis zu einer Minute. Die Rotationsenergie des kombinierten Rotors ist ausreichend, um die erforderliche Wechselstrom-Ausgangsleistung während einer solchen Dauer zu erbringen, wenn der öffentliche Netzstrom unterbrochen ist. So ist der empfindliche Verbraucher von der Wechselstromquelle auch dann vollständig isoliert und getrennt, wenn der außerordentliche Unterbruch zwischen 15 Sekunden und einer Minute dauert. Dies gibt den Bedienern des empfindlichen Geräts die Zeit, um dieses entweder herunterzufahren und so den Arbeitsvorgang der Vorrichtung sicher zu beenden, oder wenn verfügbar einen Hilfs-Motor-Generator- Einheit zu starten und auf volle Leistung zu bringen und die beginnen kann Wechselstrom an den Motor der NIPS abzugeben, wenn dieser noch läuft und bevor er die niedrigste Nenndrehzahl erreicht hat. Demnach kann ohne bemerkbare Veränderung der Frequenz oder der Spannung und unabhängig von den Netzstörungen, Wechselstrom an den Verbraucher geliefert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer NIPS-Motor-Generator- Einheit weist einen gemeinsamen Rotor mit hohem Trägheitsmoment auf der einen zentralen Stator umgibt und um diesen dreht. Diese Form der Erfindung umfaßt einen Stützträger, der gefedert eine feste, längliche Welle trägt, welche die Motor- und Generatorstator-komponenten trägt, und auf welcher der stationäre Ring eines Anti-Reibungslagers befestigt ist, dessen anderer Ring an einem großen zylindrischen Schalenkörper befestigt ist und diesen stützt und der den Motor und Generatorrotor enthält, welche die Statorkomponenten umgeben. Der zylindrische Schalenkörper und die daran befestigten Motor- und Generator-Rotor-Komponenten haben ein sehr hohes Trägheitsmoment.
An der Innenwand des zylindrischen Schalenkörpers, ist am einen Ende eine Motor-Rotor-Kernteil befestigt. Der Motor besteht aus drei Hauptteilen: 1) Einer ersten Schicht aus magnetisiebarem, permanentmagnetischen Material mit hohem elektrischem Widerstand, wie Ferrit und hat eine runde äußere Oberfläche, die koaxial mit der Schalenachse ist; 2) einen ringförmigen Stützring für die erste Schicht aus ferromagnetischem Material, mit niedrigen Wirbelströmen und einer hohen magnetischen Permeabilität, wie etwa ein Stapel von dünnen Blechen aus Silizium-Stahl; und 3) ein ferromagnetisches Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und dies kann sein entweder (a) eine Fortsetzung des Stapels des zweiten Teils mit darin verlegten oder angeordneten elektrischen Leitern, um einen hohen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn ein rotierendes magnetisches Feld sie durchläuft, oder (b) die dritte Komponente kann ein kreisförmiger Ring aus Weichstahl oder Eisen sein, der die zweite Komponente trägt.
Beginnend an einer Stelle nahe beim ringförmigen Motor-Rotor-Kern und sich bis zum andern Ende des Raums innerhalb des Schalenkörpers, ist ein ringförmiger Generator-Rotor- Kern befestigt. Der ringförmige Generator-Rotor-Kern kann Laminate aus weichmagnetischem Material mit hoher Permeabilität, wie Silizium-Stahlblechen, die mit einem Überzug aus elektrisch isolierendem Material beschichtet sind, enthalten, der eine innere kreiszylindrische Oberflächenform, aufweist, die koaxial zur Rotationsachse des Schalenkörpers ist und auf dieser letzten zylindrischen Oberfläche sind eine oder mehrere Schichten aus magnetisierbarem, permanentmagnetischem Material, wie etwa Ferrit, fest verbunden, wobei die offenliegende Oberfläche jeder Schicht eine zylindrische Form aufweist und koaxial mit der Rotationsachse der Schale ist.
Auf jenem Teil der länglichen, fixierten oder stationären Welle, der im Schalenkörper eingeschlossen ist, sind der Synchron antreibende Motor-Stator und der Hauptgenerator- Stator montiert. Auf der Welle montiert und radial ausgerichtet mit dem ringförmigen Motor-Rotor ist ein geschlitzter magnetischer Kern, mit kleinem Wirbelstromverlust, weichmagnetisches Material das neben dem Rotor-Kern angeordnet ist und sich axial gleich erstreckt und eine äußere kreiszylindrische Oberfläche aufweist, die koaxial zu Rotor-Achse, mit einem Zwischenraum zwischen dieser äußeren Oberfläche und der zylindrischen Oberfläche der Schicht aus permanentmagnetischem Material auf dem Rotorkern des Motors angeordnet ist. Der geschlitzte Kern weist zwei relative große Schlitze auf, mit einem keilförmigen Teil des weichmagnetischen Materials, das zwischen den Schlitzen liegt, wobei die Erregerspulen in den großen Schlitzen angeordnet sind, derart, daß der keilförmige Teil einen Pol davon bildet. Es kann mehr als eine Erregerspule auf dem Statorkern, vorzugsweise symmetrisch über den Umfang, voneinander getrennt, angeordnet sein. Wenn Einphasen-Wechselstrom fließt, wird in den Erregerspulen, in der Spitze des Polstücks ein starker magnetischer Fluß von abwechselnd Nord- und Südpolarität erzeugt, der die Schicht aus permanentmagnetischem Material magnetisieren kann, die unmittelbar nach der freiliegenden schmalen Spitze des Polstücks vorbeigeht, wenn der Rotor dreht, ein gewünschtes magnetisches Muster von abwechselnd Nord- und Südpolen einer ausgewählten magnetischen Feldstärke erzeugt. Die restlichen Schlitze im Motor-Stator-Kern tragen Stromwicklungen, die so angeordnet sind, daß wenn sie Wechselstrom vom Netz erhalten, sie ein drehendes Magnetfeld erzeugen, das auf den Rotorkern wirkt und seine Drehung verursacht. Leiter zu den Stromwicklungen und den Erregerwicklungen sind durch Öffnungen in einen inneren hohlen Raum am Ende der stationären Welle geführt und führen weiter durch den Hohlraum nach außen, wo sie mit Leistungsschaltern, Sicherungen und Steuerungen und von dort zur Wechselstrom-Netzleitung verbunden sind. In verschiedenen Schlitzen sind auch Rückkopplungs-Spulen angeordnet, die in einem Resonanzkreis an der Erregerspule angekoppelt sind.
Befestigt an der stationäre, längliche Welle sind radial ausgerichtet mit jeder Schicht aus magnetischem Material auf dem ringförmigen Kernteilen, welche den Rotor des Generators umfassen eine gleiche Anzahl von nebeneinanderliegenden und axial gleichgerichtet geschlitze Statorkernteile, aus einem weichmagnetischen Material mit geringen Wirbelstromverlusten. Nachstehend wird Bezug auf drei Schichten und drei Statorkerne genommen, um mit dem Generator Dreiphasen-Wechselstrom zu erzeugen. Für Einphasen- Wechselstrom wird ein einziger Stator gebraucht, für Zweiphasen-Wechselstrom werden zwei Statorkerne gebraucht usw. Die äußere Oberfläche jedes Kernteils hat eine kreiszylindrische Form, koaxial mit der Rotationsachse der Schale und angeordnet mit einem radialen Abstand zu den angrenzenden Schichten aus permanentmagnetischem Material auf dem Rotorkern. Jeder dieser Statorkerne ist generell gleich wie der Motor-Statorkern und hat zwei nebeneinanderliegende, relativ breite Schlitz und mit einem keilförmigen Polteil dazwischen, für die Aufnahme einer Erregerwicklung welche den keilförmigen Polteil in diesen zwei Schlitzen umwickelt. Wenn alle diese drei Spulen mit Einphasen-Wechselstrom einer gewünschten Frequenz und Spannung, von einer Steuerung beschickt sind, werden sie einen starken magnetischen Fluß von abwechselnder Nord- und Südpolarität erzeugen und durch den keilförmigen Teil, der als Polstück dient geleitet und da dieser nahe bei seiner zugehörigen Schicht aus permanentmagnetischem Material angeordnet ist, wird dieses beim Drehen des Rotors nach einem Muster von Nord- und Südpolen magnetisiert. Vorzugsweise werden die drei Sätze breiter Schlitze, über den Umfang verteilt zueinander symmetrisch angeordnet. So, würden, vom Ende der Welle betrachtet, im ersten der drei Kerne die breiten Schlitze in einer vorgegebenen Lage sein, während im nächsten Kern die breiten Schlitze im Uhrzeigersinn um 120º gegenüber dieser Position sind und während im dritten Kern die breiten Schlitze im Gegenuhrzeigersinn um 120º verschoben sein werden, bezogen auf die breiten Schlitze des ersten Kerns.
Es gibt kleinere Schlitze, die gleichmäßig über den übrigen Umfang jedes Statorkern verteilt sind. In diesen kleineren Schlitzen sind Wicklungen angeordnet, in denen Wechselspannung erzeugt wird, während der Drehung der magnetisierten Schichten des Rotors. Die kleineren Schlitze in allen Generator-Stator-Kernen sind vorzugsweise mehr oder weniger nach der gleichen geraden, axial verlängerten Linie ausgerichtet. Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß gleichzeitig in allen drei Kernen jede Spule die gleiche Anzahl Windungen aufweist. Dementsprechend verläuft jede einzelne Windung oder jeder Leiter einer Windung im wesentlichen parallel zum Achse durch alle Kerne, und die Endwindungen; daß zwei oder mehr Windungen eine einzige Wicklung bilden, wird es nur an den äußersten Seiten des ersten und des letzten Kerns geben. So angeordnet, wird jede Windung in jedem Kern mit einer Wechselspannung erregt werden und wird in jedem Kern einen Drittel der Wechselspannung erzeugt. Dann führen Leiter von der letzten Windung jeder Wicklung direkt zu einem Durchgang oder Schlitz, der zum zentralen, hohlen Innern des Stützwellen-Endes führt, wo der Leiter im zentralen Hohlraum, und nach außen aus dem Generator geführt ist. Leiter zu den drei Erregerspulen in einem Dreiphasen-Generator sind ebenfalls vom hohlen Innern durch einen Schlitz oder einen Durchgang durch die Wand der Welle und dann radial aufwärts entlang der Front des Endkerns geführt; drei Paare von Leitern werden durch die Schlitze im Endkern geführt wobei ein Paar zum zweiten Kern führt und das letzte Paar zum dritten Kern geführt ist, wo sie je an ihren jeweiligen Erregerwicklungen angeschlossen sind.
In jedem Generator-Stator-Kern ist in verschiedenen ausgewählten Schlitzen eine Rückkopplungs-Spule vorhanden. Die Rückkopplungs-Spulen erzeugen eine Wechselspannung, wenn die magnetische Schicht daran vorbeigeht und eine gleiche Wechselspannung wird gleichzeitig in der Erregerspule erzeugt. Schaltkreise sind vorhanden, welche die erzeugte Wechselspannung in die Rückkopplungs-Wicklungen eines bestimmten Kerns in die Erregerspulen leiten.
Wenn der Generator-rotor mit Synchrondrehzahl dreht, ist es unerwünscht, in der Erregerspule solch selbsterzeugten Wechselstrom haben und die Stromkreise sind so abgestimmt, daß die Wechselspannung aus den Rückkopplungsspulen jeden Wechselstrom, der in den Erregerspulen erzeugt wird aufgehoben oder unterdrückt wird, so daß die Steuermittel im wesentlichen effektiv die I-Quadrat R Verluste in den Generator-Erregerwicklungen liefern. Aber wenn die Rotordrehzahl unter die Synchrondrehzahl fällt oder über diese steigt, wird der Stromkreis dafür sorgen, daß wenigstens ein Teil des Wechselstroms aus den Rückkopplungsspulen den Strom in den Erregerspulen beeinflussen wird so daß eine zusätzliche Spannung geliefert wird, welche die Wechselspannung von der Steuerung ergänzt und die Erreger-Regelung stabilisiert, so daß das Polmuster in der permanentmagnetischen Schichte auf dem Rotor so angepaßt wird, daß die vorbestimmte Frequenz beibehalten wird.
Um eine Hilfs-Wechselstrom-Quelle, insbesondere für die Generator-Regelung zu schaffen, ist ein kleiner Permanentmagnet-Generator (PM) am einen Ende, gewöhnlich beim Motorteil, der zylindrischen Schale angebracht. Der Rotor der des PM-Generators enthält einen Ring der an der zylindrischen Schale und damit drehbar befestigt ist und mit einer inneren Schicht von Permanentmagneten mit einer Folge von magnetischen Süd- und Nordpolen, während der Stator einen geschlitzten Kern aus weichmagnetischem Material umfaßt, auf einer feststehenden Stütze und mit Wechselstrom erzeugenden Spulen, worin ein Wechselstrom erzeugt wird, wenn der Rotor daran vorbeiläuft.
Elektrische und elektronische Regler sind vorgesehen, welche den hochfrequenten Wechselstrom abnehmen, der im Hochfrequenz-Permanentmagnet-Generator erzeugt wird, der sich außerhalb der Endplatte der zylindrischen Schale befindet um ihn auf die erforderliche Wechsel-Frequenz und -Spannung zu wandeln und diesen dann in der richtigen Phasenlage zu den verschiedenen Erregerspulen des Hauptgenerators zu liefern, so daß die Schichten aus permanentmagnetischem Material in jedem der zugeordneten Rotorkerne nach dem gewünschten Muster von Süd- und Nordpolen genau magnetisiert werden, wobei jeder die erforderliche magnetische Flußdichte hat. Wenn die rotierenden Schichten so magnetisiert werden, erzeugen sie in den Statorwindungen in ihrem Einflußbereich eine Wechselspannung genau der gewählten Frequenz, währen die gesamte in den Windungen der verschiedenen Statorkerne erzeugte Wechselspannung der gewünschten Ausgangsspannung entspricht. Für eine exakte und enge Spannungsregelung können die Erregerspulen in zwei der drei Kerne leicht so geregelt werden, daß die Wechselspannungs- Phase in Bezug auf die Wechselphase in der Erregerspule des dritten Kerns verschoben wird, so daß die eine zurückliegt und die andere um den gleichen Betrag vorausgeht. Die Stromwicklung wird dann die drei leicht phasenverschobenen Wechselspannungen, die exakt die gleiche Frequenz aufweisen, vektoriell addieren und die Gesamtspannung um einen exakt gesteuerten Betrag reduzieren und zwar so als ob der Spannungswert aller drei exakt in Phase wäre.
Wie beschrieben sind in einer Dreiphasenmaschine drei separate Statoren vorhanden, z. B. jeder mit einem eigenen Erregerpol, der 120 Grad gegenüber dem Erregerpole der angrenzenden Schichten verschoben ist. Aber die Ausgangs-Spulen sind zusammenhängend durch alle drei Kerne gewickelt. Dies bewirkt, daß die Ausgangsspannungen jeder Phase bei jeder normalen Drehzahl um 120 Grad zueinander verschoben sind.
Für die meisten Anwendungen ist die vom Stromnetz oder einem andern Netz abgeleitete Frequenz auch die gewünschte Wechselfrequenz für den Generatorstrom. In den USA und Kanada z. B. haben fast alle öffentliche Stromnetze 60 Hz Frequenz. Computer, Roboter, Maschinensteuerungen, moderne Kommunikationsgeräte, Fernseher und dergleichen, sind in diesen Ländern ausgelegt, mit 60 Hz Wechselstrom zu funktionieren. Deshalb wird in diesen Ländern der Generator nach der vorliegenden Erfindung auf konstant 60 Hz Wechselspannung programmiert sein. In den meisten europäischen Ländern ist der Wechselstrom, der durch die öffentlichen Elektrizitätswerke erzeugt wird 50 Hz Frequenz haben und die meisten elektrischen und elektronischen Geräte sind ausgelegt um mit 50 Hz Wechselstrom zu funktionieren.
Der Rotor des Motor-Generators der vorliegenden Erfindung arbeitet sehr zuverlässig, wenn er mit 50 Hz oder 60 Hz Wechselstrom beschickt wird und ein 2-Pol-Motor erreicht eine Synchronisationsdrehzahl von 3000 Umin&supmin;¹ bei 50 Hz Netzfrequenz, oder erreicht 3600 Umin&supmin;¹ bei 60 Hz Netzfrequenz. Es muß nur eine geringe Veränderung vorgenommen werden, um die saubere Wechselfrequenz zu den Generator-Erregerspulen abzugeben, so daß die Erregerspulen die Schichten aus permanentmagrietischem Material nach einem Muster magnetisiert werden, das exakten 60 Hz- oder 50 Hz- Strom liefert.
Verschiedene Vorteile ergeben sich, wenn der Motor und der Generator-Rotor gleichlaufend drehen. Wenn der Gleichlauf einmal erreicht ist, bleibt das Muster der Nord- Und Südpole in den drei Schichten aus permanentmagnetischem Werkstoff im Generator konstant und muß unter normalen Bedingungen nicht gewechselt oder verändert werden. Deshalb kann der Wechselstrom der den Erregerspulen des Generators zugeführt wird, vollständig abgeschaltet werden. Um aber Drehfeld-Änderungen aufgrund plötzlicher Lastwechsel oder Änderungen in der Netzfrequenz auszugleichen, aber auch "hunting" verhindern, was vorkommen kann, wenn die Generator-last ändert, oder die Netzfrequenz ändert, kann der Wechselstrom zu den Erregerspulen in gewissen Zeit-Abständen kurz angeschaltet werden. Beispielsweise kann er für ein oder zwei Umdrehungen des Rotors zugeschaltet und dann für 5 bis 10 Umdrehungen abgeschaltet werden. Die Erregerspulen können auch auf ein Signal von der Spannungsregelung zugeschaltet werden, das anzeigt, daß ein großer Lastwechsel passiert oder passiert ist. Mittel zu Erreichen dieser intermittierenden Regelung sind in der elektronischen Regelung des Generators vorhanden.
Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht von hinten, einer Motor-Generator-NIPS-Einheit, und ein schematisches Blockschema der zugehörigen elektrischen Schaltkreise;
Fig. 2 ist zeigt in einer Frontansicht auf einen vertikalen Schnitt durch den Motor-Generator von Fig. 1, mit Einzelheiten der internen Struktur;
Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt nach der Linie III-III von Fig. 2:
Fig. 4 ist ein schematische Planaufsicht und ein elektrischer Schaltplan für den Motor;
Fig. 5 ist ein elektrisches Blockschema für einen Regelkreis für den Generator;
Fig. 6 ist ein graphische Darstellung der Hysterese von zwei ferromagnetischen Werkstoffen;
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Überbrückungszeit des Generators in Abhängigkeit von Lasten verschiedener Größe; und
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer modifizierten Duplex-Wechselstrom-Leistungsabgabe an verschiedene Arten von Verbrauchern.
Bezug nehmend auf Fig. 1 der Zeichnung, wird in einer perspektivischen Hinteransicht, teilweise durchbrochen, eine Motor-Generator-NIPS-Einheit 10 gezeigt, welche die Erfindung darstellt, während Fig. 2 mehr Einzelheiten des Motor- Generators selbst zeigt. Die Einheit 10 umfaßt eine Basis 12, auf der ein schwerer, horizontal angeordneter zylindrischer Behälter 14 mit offenen Enden, in welchem der Motor- Generator angeordnet ist, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Eine Reihe von Abteilen 16, 18, 20, 22, jedes mit einer drehbaren Türe, Türe 17 für Abteil 16, gezeigt in Fig.
1 gibt Zugang in sein Inneres und ein Steuerpult 19, mit Drucktastenschaltern und Signallampen ist auf der Basis 12 vorne und an beiden Enden des zylindrischen Gehäuses 14 angebracht. In diesen vier Abteilen sind die Steuerpult- Schaltungen den Abschaltern, Schaltern, Sicherungen, Steuerungen für Motor und Generator und die notwendigen Leitungen und anderen Kabeln mit Verbindungen über Kabelkanäle zwischen den Abteilen. Lüftungsschlitze 16A sind in den Abteilen 16 und 18 vorgesehen, wobei beide so angeordnet sind, daß Kühlluft in ein Abteil 18 eintritt und dann intern so geführt ist, daß die Kühlluft durch die Steuerungsabteile, den Motor-Generator zirkuliert und durch die Lüftungsschlitze 18A im Abteil 16 erwärmt wieder austritt.
Federnde und stoßabsorbierende Stützen für die Motor-Generator-Einheit im Gehäuse 14, in der Form von gegenüberliegenden, schweren Trägern 24 sind lösbar mit Schrauben, an jedem Ende des Gehäuses 14 befestigt. Über jedem dieser Träger sind Dämpfer oder Gummitüllen 25 aus einem elastomeren Material vorhanden und auf jedem dieser Dämpfungselemente liegt ein Stützelement 26, wobei alle mit Schrauben und Muttern befestigt sind, die z. B. durch Träger, Dämpfer und Stützelement gehen und geringe elastische Bewegungen zwischen Stützelementen und Trägern erlaubt. Wie in Fig 2 im Detail gesehen werden kann, ist an jedem Ende der Gehäuses 14 ein Paar Stützelemente 26 vorhanden und jedes Stützelement eines Paares ist fest an eine kreisförmige Platte 28 geschweißt, geschraubt oder sonst fest befestigt, die sich neben dem Motorabteil befindet und jedes Stützelement des andern Paares ist an eine kreisförmige Platte 29 neben dem Generatorabteil befestigt, wobei beide Platten einen bedeutenden Abstand vom Rand zum Gehäuse 14 haben. Die beiden Platten 28 und 29 tragen das ganze Gewicht von Motor und Generator und deshalb sollten sie, genauso wie die Träger und Stützelemente so ausgelegt sein, daß sie diese Gewicht tragen können. Während das Gehäuse 14 mit kreizylinderförmigem Querschnitt gezeigt sind, kann dieses auch einen andere Querschnittsform haben, aber es sollte zulassen, daß der Motor-Generator mit den Endplatten 28 und 29 für die Montage, Installation und den Unterhalt des Motor-Generators gleitend ein und aufgeschoben werden kann.
Die Stützplatte 29 ist an ihrem Rand mit einer flexiblen Dichtung oder einer weichen Dichtung 29A abgedichtet. Die Platte 29 hat Durchbrüche 29, welche Kühlluft eintreten und durchfließen lassen. Ein wesentlicher Abstand zwischen dem Rand der Platte 28 und der Schale 14 erlaubt der Kühlluft auch durchzutreten. Die Platten 28 und 29 sind je mit einer großen zentralen Öffnung versehen, durch welche wenigstens ein Teil des Lagergehäuses 30 bzw. 31 ragen kann, oder wenigstens zugänglich ist. Jedes der Lagergehäuse 30 und 31 hat ein flaches Anschluß-Stück zu den Platten 28 und 29 hin und das Gehäuse ist mit Maschinenschrauben entfernbar daran befestigt. Zwischen den Lagergehäusen 30 und 31 sind die Kugellager 32, oder andere Antireibungs-Lager angebracht, wobei eine Schale nicht drehbar am Lagergehäuse befestigt ist und die äußere Schale, axial gleitend montiert ist, um sich an thermische Ausdehnung anzupassen, wie dies in Fig. 2 gesehen werden kann. Innerhalb dem inneren oder bewegbaren Kugelkäfig des Lagers 32, des Motorabteils ist eine Nabe 34 an einer flachen, schweren, kreisförmigen Scheibe 36 befestigt, während am Lager 32 des Generatorabteils eine Nabe 35 an einer flachen, schweren, kreisförmigen Scheibe 37 befestigt ist.
Die Ränder der Scheiben 36 und 37 sind an die Enden der dickwandigen, kreiszylindrischen Schale 40 geschweißt, geschraubt oder sonstwie daran befestigt, in welcher der Motor und der Generator-Rotor an der Innenseite von deren Wände befestigt sind, wobei ein gebräuchlicher Rotor mit hohem Trägheitsmoment entsteht. Um die Herstellung, die Montage und das Auswuchten des Rotors zu vereinfachen, enthält die Schale 40 vorzugsweise ein separates Motorabteil 42 und ein Generatorabteil 43, welche beide mit geeigneten Befestigungsmitteln zu einem starren Teil zusammengefügt werden, der den Motor-Stator und Generator-Stator umgibt. Die Schale 40 kann aber, insbesondere für Einheiten mit kleinerer Leistung, auch als eine einzige zylindrische Schale ausgeführt sein, die wenigstens auf einer Seite offen ist.
Um die Teile 42 und 43 zusammenzufügen, um eine einzige Rotorschale 40 zu erhalten sind verschiedene Techniken verfügbar. Bei einer dieser Techniken werden die Teile 42 und 43 bearbeitet um komplementäre oder zusammenpassende Umfangsflächen 44, bzw. 45 erhalten und, wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt ist, einem tiefen, äußeren Kanal, oder äußeren Nute 46, die in den Umfang des Teils 42, nahe der Paßfläche 44, gearbeitet ist, und einer Vielzahl von Schraubenlöchern, wird von der Paßfläche 44 durch die Schulter, welche die Nute gebildet wird, gebohrt. Ausrichtende Gewindelöcher sind in der Paßfläche 45 vorhanden, so daß die Schrauben in die Nute 46 gebracht und durch die gebohrten Löcher im Teil 43 geschraubt werden können und damit eine starr verbunden Rotor 40 bilden. Alternativ dazu, kann ein kreisförmiges Band, das einen U- förmigen Querschnitt hat verwendet werden, um die Teile 42 und 43 zusammenzufügen, wobei Löcher in den zwei Schultern des U-förmigen Bandes ermöglichen, daß Schrauben Gewindelöcher in den Paßflächen 45 und 46 der Teile 42 und 43 eingeschraubt werden. Während die Teile 42 und 43 vorzugsweise den gleichen äußeren Durchmesser aufweisen, kann der eine oder andere einen größern innern Durchmesser haben oder der ganze Rotor kann leicht konisch sein um einen Motor mit größerem Durchmesser aufzunehmen, indem er z. B. in einem Bereich mit größerem Durchmesser plaziert wird. Ein Rotor mit uniformem Außen- und Innern-Durchmesser hat gut funktioniert, da er sich durch einen geringen Luftwiderstand und niedrigen Geräuschpegel auszeichnet.
Bezugnehmend auf den Motorteil 42, werden die Motorkomponenten montiert, indem sie von der Paßfläche 44 her, in einen ringförmigen Kern 50 eingeschoben werden, der z. B. eine isolierende Laminierung mit 3% bis 5% Silizium-Stahl oder einem anderen weichmagnetischen Material mit hoher Permeabilität, aufweist, wobei der Kern entlang einer innern Durchmesserwand 52 gestoßen wird, bis eine Front des Kerns an einen ringförmigen Anschlagring 54 anliegt, der sich auf einer Schulter 56 stützt, die in die Wand 52 gearbeitet ist. Der Kern wird unter Druck eingepreßt, daß es fest und nicht drehbar gegenüber dem Stop-Ring 54 sitzt, indem durch einen Klemmring 58 und der äußere Rand von Ring 58 ist geschweißt oder anderswie an der Innenwand 52 befestigt. Der Kern 50 hat einen Ring von Perforationen 60, die axial vollständig durch den Ring 50, von einer Frontseite zu andern führen und in diese Perforationen sind kurzschließende Leitungen 62 verlegt. Abhängig von der gewünschten Motorcharakteristik, bestehen diese kurzschließenden Leitungen 62 aus Aluminium, das in alle Perforationen gegossen ist, oder nichtisolierten Kupferstäben, Kupferlegierung, Aluminiumlegierung, Stahl oder einem ähnlichen Material, wobei die Stäbe mit ihren Enden verbunden, hartgelötet, oder geschweißt sind. Die verlegten Leiter 62 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Kern verteilt.
Die innere Oberfläche 64 des Kern 50 hat eine kreiszylindrische Form und auf ihr ist eine Schicht 66 aus permanentmagnetischem Material mit einem hohen elektrischen Widerstand aufgebracht. Geeignete permanentmagnetische Werkstoffe sind Ferrite, wie Bariumferrit, Barium-Strontium- Ferrit, oder pulverförmiges Alnico in einem isolierenden, Harzbinder. Die Schicht 66 kann eine Vielzahl von Stäben mit rechteckigem Querschnitt enthalten, die von einer Kern- Frontseite zur andern reichen, oder bogenförmigen Segmenten, die von einer Frontseite zur andern des Kerns führen und die eine radiale Dicke von 0.2 bis 1 Zoll (0.5 bis 2.5 cm) aufweisen, enthalten. In einigen Fällen kann eine vollständig vorgeformte zylindrische Schale aus permanentmagnetischem Material verwendet werden. Diese Stücke, Stäbe oder Segmente aus permanentmagnetischem Material sind unter sich aneinander geklebt und mit einem Epoxy- oder Silikonharz oder einem andern geeigneten starken Harzkleber auf die Oberfläche 64 geklebt.
Es kann beobachtet werden, daß es einen wesentlichen radialen Raum, der die Bodenschicht 66 auf der Frontseite 64 von den eingelegten Leitern 62 trennt, um einen Pfad mit niedriger Reluktanz für den Magnetfluß zu schaffen, der von der hinteren Oberfläche des magnetischen Materials ausgeht. Die äußere oder freiliegende Oberfläche 68 der Schicht 66 hat eine kreiszylindrische Form und ist koaxial mit der Rotations-Achse des Rotors 40.
Im Generator-Teil 43 der Schale 40 sind ein inner Klemmring 70, der an einer Schulter 72 anliegt angeordnet und ein Generator-Kern 74 mit einem ringförmigen Stapel von isolierten Blechen aus weichmagnetischem Material mit hoher Permeabilität z. B. 3% bis 5% Silizium-Stahl, wird von der Seite mit der Paßfläche 45 her eingeführt und gleitet entlang der Innenwand 76 und die eine Stirnseite des Kerns wird gegen den Klemmring 70 gepreßt. Beträchtlicher Druck wird gegen einen äußern Klemmring 78 aufgewendet, indem gegen die Frontseite des Kerns gepreßt wird und wenn der Klemmring 78 derart unter Druck ist wird der Klemmring 78 angeschweißt oder sonst an der Wand 76 befestigt, so daß der Kern unbewegbar in seiner Lage im Abteil 43 festgehalten wird. Beide Kerne 50 und 74 sind nahe an den Wänden 52 bzw. 76 eingepaßt.
Die innere Seite 80 des Kerns 74 hat eine kreiszylindrische Form und darauf sind eine oder mehrere Schichten aus magnetisierbarem, permanentmagnetischem Material aufgebracht, wobei es für jede Phase des gewünschten Ausgangs-Wechselstroms eine separate Schicht gibt. Dieses permanentmagnetische Material kann das gleiche sein wie jenes, das für die Schicht 66 verwendet wurde und kann in gleicher Weise vorbereitet und mit der Oberfläche 80 verklebt sein. Wie in Fig. 2 gezeigt, gibt es drei Schichten 82A, 82B, 82C, für einen Dreiphasengenerator. Wenn gewünscht, können drei separate Kerne aus weichmagnetischem Material anstelle eines einzigen Kern-Stapels 74 vorgesehen sein, jede der Schichten 82A, 82B, 82C hat eine im wesentlichen kreiszylindrische Form, die mit der Rotationsachse der Schale 40 koaxial ist.
Die Stütze für die Statoren des Motors und den Generator, weisen eine feste, nichtdrehbare Stützwelle 90 auf, mit einem Flansch 91 der einen kleineren Durchmesser hat, und der nach außen aus der dem Generator-Abteil 43 ragt, und einem Flansch 92, der etwas nach dem Motor-Abteil 42 beginnt und ebenfalls nach außen ragt. Der Generator-Flansch 91 ragt durch eine Öffnung ins Lager 35 mit einem Abstand dazwischen der das Drehen zuläßt, und ist mit den Wänden des Lagergehäuses 31 lösbar verbunden, so daß er darin nicht drehbar gestützt ist. In gleicher Weise ragt der Motor- Flansch durch eine Öffnung im Lager 34, mit einem Abstand dazwischen der das Drehen zuläßt, und ist mit den Wänden des Lagergehäuses 30 lösbar verbunden. In die äußeren Stirnflächen der Flansche 91 und 92 sind axiale Bohrungen 93 bzw. 94 bis dahin, wo der zentrale Wellenteil 95 mit dem größeren Durchmesser in die Welle 90 ragt eingebohrt und eine oder mehrere, kleinere Eingangsöffnungen 96 und 97 sind, vorzugsweise in einem Winkel von der äußern Oberfläche der Teils 95 gebohrt, welche in die Bohrungen 93 und 94 münden, so daß durch sie elektrische Leiter, Steuerleitungen und andere Leitungen von außen zu den elektrischen Komponenten des Motor- und des Generator-Stators geführt werden können.
Etwa diametral der Stelle gegenüberliegend, wo die Paßflächen 44 und 45, bezogen auf die Welle 90, auf der Schale 40 liegt, ist auf einem Oberflächenteil 95 mit größerem Durchmesser ein Distanzstück 100, ortsfest befestigt. Das Stück 100 kann einen Stahlreif mit einer zentralen Bohrung, sehr nahe beim Durchmesser bei 95 und ist dort angeschweißt, oder anderswie geeignet an der Stelle auf der Oberfläche 95 befestigt. Das Distanzstück 100 kann die Form eines kreisförmigen Rings haben, oder es kann eine sechseckige oder rechteckige äußere Form haben, oder mehrere Flachstellen können in den kreisförmigen Ring gefräst sein, so daß ein Abstand entsteht um Spule und Windungen anzupassen. Ein Schild 102 mit einer äußeren Kante, die etwa im Bereich der Schichten 66 und 84A liegen, können etwa im Mittelpunkt des äußeren Umfangs des Distanzstücks 100 angeschweißt sein um eine elektrische und magnetische Barriere zwischen dem Motor- und Generatorabteil zu schaffen.
Ein Motor-Stator 104 mit Schlitzen, der aus-einem Stapel von isolierten Laminaten eines permanentmagnetischen Werkstoff wie 3%- oder 5%-Siliziumstahl mit niedrigem Wirbelstromverlust zusammengesetzt ist, und der eine zentrale Bohrung, mit gleichem oder gerade etwas größerem Durchmesser als der großdurchmessrige Teil 95 der Welle 90 aufweist, ist von links auf die Welle gepreßt, sie dies in Fig. 2 zu sehen ist, soweit, bis er auf die Stirnseite des befestigten Distanzstücks 100 trifft. Ein Belleville-Dichtungsring 106, oder ein auswärts gekrümmter Ring aus Federstahl mit einer zentralen Bohrung, die leicht größer ist, als der Wellendurchmesser bei 95, ist auf der äußeren Frontseite 108 des Kerns 104 angebracht und gegen den Mittelteil der Dichtungsrings 106, mit einer hydraulischen Presse oder einem andern Druckwerkzeug ausgeübter Druck, wird ausgeübt, bis die Mitte des Dichtungsrings beinahe die Frontseite 108 berührt. Ein Druck in der Größenordnung von einigen tausend Pfund wird auf den Kern 104 bei Motoren von 10 kW bis 20 kW Leistung angewendet. Das Zentrum des Dichtungsrings, oder eines zweiten Sprengrings aus schwerem Stahl der an die Außenfront des Dichtungsrings angebracht ist, wird auf die Oberfläche der Welle 95 geschweißt, während dieser Druck aufrechterhalten wird. Wenn das Druckmittel entlastet wird, übt der zusammengedrückte Belleville- Dichtungsring auf die Welle 90 einen Zug aus, der für die Reduktion von Geräuschen und Vibrationen erwünscht ist. Die Wicklungen 110, die in Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt sind, werden dann in den Schlitzen des Kerns 104 eingefügt und, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 im einzelnen gezeigt wird, werden verschiedene Wicklungen in diesen Schlitzen untergebracht. Die äußere Randfläche 103 des Kerns 104 ist mit einem Drehabstand dazwischen, neben und im wesentlichen gleichgerichtet mit der Oberfläche 68 der Schicht 66 angeordnet. Der Schlitz im Kern 104 kann wenn erwünscht, leicht abgeschrägt sein.
Wie am besten in Fig. 3 gesehen werden kann, sind unter den Schlitzen des Kerns 104 des Motor-Stators zwei breite Schlitze 151, auf dem konusförmigen Kernteil 150 angeordnet, die von den Schlitzwänden 154 gebildet werden, die sich am äußern Rand zu einem schmalen Polstück 152 verjüngen und in diesen Schlitzen ist eine Erregerspule 153 angeordnet, die mit einem Einphasen-Wechselstrom erregt werden, wobei der konusförmige Teil 150 als ein Polteil dient, der eine schmale Magnetisierungs-Stirnfläche oder Spitze 152 aufweist, die abwechselnd in starke, aufeinanderfolgende nord- und südmagnetische Polarität magnetisiert wird und die Spitze 152 damit die Schicht 66 aus magnetisierbarem permanentmagnetischem Material in einem gewünschten Muster von nord- und südmagnetischen Polen einer gewünschten Magnetfluß-Stärke magnetisiert. Der Rest der äußeren Oberfläche des Stator-Kerns 104 enthält kleinere Schlitze 160, in denen Leistungs-Wicklungen 162 in bekannter Art angeordnet sind, so daß sie, wenn sie mit Wechselstrom von einer Stromquelle beschickt werden, diese ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Das rotierende Magnetfeld, tritt in Wechselwirkung mit der magnetisierten Schicht 66 und den kurzgeschlossenen Windungen 62 und erzeugen so ein kräftiges Drehmoment, das den Rotor auf Synchrondrehzahl bringt, selbst, wenn der Rotor unter starker Last steht.
Um eine Einphasen-Wechselstromquelle für die Erregerspule 153 zu bilden, sind die Motor-Rückkopplungs-Wicklungen 164 in bestimmten Schlitzen 104 des Kerns 104 angeordnet, so daß der magnetische Fluß der drehenden Schicht 66, wenn er vorbeigeht, darin eine Wechselspannung einer bestimmten Größe, Frequenz und Phase, bezogen auf den Wechselstrom der Stromquelle erzeugt. Gleichzeitig erzeugt der vorbeiziehende magnetische Fluß der Schicht 66 in der Erregerspule eine Wechselspannung und ein Resonanzkreis ist vorhanden, der den Wechselstrom von der Motor-Rückkopplungswicklung 164 zur Erregerspule 153 überträgt und so einen kombinierten Einphasen-Wechselstrom der erforderlichen Frequenz und Größe, um die Schicht 66 in einem Muster von nord- und südmagnetischen Polen zu magnetisieren, die im wesentlichen optimal mit dem rotierenden Magnetfeld, das von der Spule 162 erzeugt wird, regieren. So muß also kein Wechselstrom von außen zu den Erregerspulen geführt werden. Diese Rückkopplungsspulen für das Erzeugen des notwendigen Einphasen-Wechselstroms für die Erregerspule wird bevorzugt. Aber wie die hängige US-Anmeldung, Serial No 06/769.834 lehrt, kann auch wenigstens zum Teil Wechselstrom von andern Quellen zur Erregerspule geleitet werden.
Wie aus Fig. 2 offensichtlich wird, enthält der Wechselstrom-Generator-Stator einen oder mehrere Kerne wobei es mehrere Kerne gibt, einen für jede Phase eines Mehrphasen- Generators, insbesondere sind in den Fig. 1 und Fig. 2 drei Kerne für einen Dreiphasen-Generator gezeigt. Drei geschlitzte, laminierte Kerne 112A, 112B, 112C aus einem weichmagnetischen Material mit hoher Permeabilität und niedrigem Wirbelstromverlust, mit dazwischenliegenden Distanzstücken, 114 und 116 aus Stahl, z. B. alle mit zentralen Bohrungen, gleich groß oder leicht größer als der Wellendurchmesser 95, werden so weit geschoben bis der Kern 112A am Distanzblock 100 anliegt und ein eng anliegender Belleville-Dichtungsring 118 aus getemperten Federstahl, oder eine auswärts gekrümmter elastische Federstahl-Platte wird auf die Welle gebracht und mit ausreichender Kraft gegen die äußere Front des Kerns 112C gepreßt, daß das auswärts gekrümmte Zentrum der Scheibe 118 beinahe flach ist wobei die Scheibe dann geschweißt wird, während sie im Bereich der zentralen Öffnung so gegen die Welle gepreßt wird, wie dies in gleicher Weise für die Scheibe 106 beschrieben wurde, so daß die Welle beim Generatorabteil 43 unter Zug-Spannung und die Kerne 112A, 112B und 112C unter Druck gesetzt werden. Der Druck der durch die Bellville- Dichtungsringe 106 und 118 ausgeübt wir, hält nicht nur die Motor- und den Generatorkerne fest in ihrer Lage, sondern reduziert auch Vibration und Lärm. Die äußeren Oberflächen der Kerne 112A, 112B und 112C haben eine kreiszylindrische Form, die zu den Oberflächen 84 der Lagen 82A, 82B und 82C komplementär sind, und die nebeneinanderliegen und im wesentlichen miteinander gleichgerichtet sind und einen Abstand zueinander haben, wobei alle zur Achse des Rotorschale 40 koaxial ausgerichtet sind.
Die Wicklungen 120 in den Generator-Stator-Kernen sind in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Die Generator- Stator-Laminierungen, die Schlitzkonfigurationen und die Arten der Wicklungen darin, sind stark ähnlich jenen im Motor-Stator von Fig. 3. Kurz, in jedem Kern 112A, 112B, 112C gibt es auf jeder Seite zwei beieinanderliegende große Schlitze auf jeder Seite des sich verjüngenden magnetischen Kernteils, welch letzterer das Polstück darstellt. In jedem dieser breiten Schlitze ist eine Erregerspule angeordnet. In Kern 112 z. B. ist eine Erregerspule 113B gezeigt, die, wenn sie mit Wechselstrom beschickt ist, das an die Schicht 82B angrenzende Polstück aus magnetisierbarem Material durch ihr Polstück die angrenzende Schicht 82B aus magnetisierbarem permanentmagnetischem Material in einem gewünschten Muster von magnetischen Nord- und Südpolen einer gewünschten magnetischen Flußdichte magnetisiert, wenn der Motor dreht. Die Kerne 112A und 112C haben ebenfalls Erregerspulen 113A bzw. 113C (nicht gezeigt) die beim Betrachten entlang der Achse, 120 Grad zueinander verschoben angeordnet sind.
Die übrigen Schlitze in jedem Statorkern 112A, 112B und 112C sind enger und ihnen Windungen der Wicklungen 120 angeordnet, aus z. B. lackiertem Kupferdraht, in welchem Wechselstrom erzeugt wird, wenn der magnetische Fluß der magnetischen Schichten 82A, 82B und 82C vorbeigeht. Diese Wicklungen 120 sind vorzugsweise so in den engeren Schlitzen angeordnet, daß jede Windung gleichzeitig in allen drei Kernen 112A, 112B, 112C liegt und die Schlußwindungen nur an der äußeren Front der Kerne 112A und 112 gebildet sind. Dies vereinfacht und beschleunigt nicht nur das verlegen der Windungen, sondern vermindert auch die Menge Kupfer im Vergleich zu jenem der notwendig wäre, wenn jeder Kern separat gewickelt würde. Wichtiger ist, daß wenn all Windungen durch alle drei Statorkerne verlaufen, jeder im wesentlichen ein Drittel der gesamten Wechselspannung von jedem der drei Kerne erhält und eine Spannungsanpassung kann sofort und leicht gemacht werden, indem die Größe des Wechselstroms in einem oder mehreren der Erregerspulen verändert wird, um das magnetische Flußdichtemuster von Nord- und Südpolen in jeder Schicht 82A, 82B, 82C zu steuern.
Die Wicklungen jedes Generator-Stator-Kerns 112A, 112B, 112C umfassen auch separate Rückkopplungsspulen 115A, 115B, 115C in bestimmten Schlitzen, wobei Fig. 2 nur 115B gezeigt ist, aber in Fig. 5 alle schematisch dargestellt sind. Diese Rückkopplungs-spulen erzeugen Wechselspannung, wenn der Fluß von ihren magnetisierten Schichten 82A, 82B bzw. 82C vorüber läuft wobei die Spannung eine bestimmte Größe und Frequenz und Phase aufweist. Gleichzeitig erzeugt der magnetische Fluß in der Schicht der magnetisierten magnetischen Schicht eine Spannung in jeder Erregerspule 113A, 113B und 113C. Es sind Stromkreise vorhanden, welche die Wechselspannung von jeder Rückkopplungs-Spule zur Erregerspule in ihrem Kern übertragen, so daß dadurch, wenn der Rotor 40 mit Synchrondrehzahl dreht, die Wechselspannung, die erzeugt wird, in jeder Spule im wesentlichen unterdrückt wird und effektiv nur Einphasen-Wechselstrom einer gewünschten Frequenz und Größe von der Steuerung die Erregerspule erregt. Aber bei Drehzahlen unter oder über der Synchrondrehzahl, ergänzt die Wechselspannung von der Rückkopplungswicklung den Einphasen-Wechselstrom von den Rückkopplungsspulen von der Steuerung vorteilhaft, so daß in den Schichten 82A, 82B, 82C ein optimales magnetisches Muster erzeugt wird, wobei die Wechselspannung, die in den Wicklungen erzeugt wird, im wesentlichen die gewünschte Spannung und Frequenz aufweist.
Um eine Wechselstrom-Hilfsquelle zum Speisen der Steuerung des Hauptgenerators zu erhalten, gibt es einen kleinen Permanentmagneten 128 (PM), zum Erzeugen eines höherfrequenten Wechselstroms, als dies normalerweise vom Generator im Abteil 43 erforderlich ist, wobei der PM-Generator 128 mit Vorteil auf der äußeren Front der Platte 36 angeordnet ist. Der Rotor des PM-Generators umfaßt einen Kurzschluß- Ring 130 von wenig kleinerem Durchmesser als die Schale 40, der entweder entfernbar oder als integrierter Teil auf der äußeren Front der Platte 36 angeordnet ist. Am innern Umfang des Rings 130 ist eine Schicht 132 von Permanentmagneten, z. B. Barium-Strontium-Ferrite einer festen Polarität aufzementiert, um eine Folge von abwechselnden nord- und südmagnetischen Polen zu schaffen. Am Lagergehäuse 30 ist der PM-Generator-stator befestigt, der einen engen, ringförmig geschlitzten Stapel 134 von Schichten aus weichmagnetischem Material mit hoher Permeabilität umfaßt, der neben der Schicht 132 liegt, wobei diese vom Gehäuse entfernbar angeklammert sind, und in den Schlitzen sind Spulen 136 abgebracht, in denen Wechselspannung erzeugt wird, wenn die magnetische Schicht daran vorbeiläuft. Die Frequenz des in den Spulen 136 erzeugten Wechselstroms kann vorzugsweise 600 Hz sein, während der Haupt-Wechselstromgenerator 60 Hz erzeugt; während in einer Einheit, in welcher der Generator 50 Hz-Wechselstrom erzeugt, der PM-Generator 128 50 Hz erzeugen würde. Der Bereich der höheren Frequenzen des PM- Generators kann von 100 Hz bis zu über 1000 Hz sein.
Die Steuerungen für den Motor sind im Abteil 16 angeordnet und umfaßt Unterbrecherschalter, Sicherungen, Schalter, Sensoren, die im Blockschema 140 in Fig. 1 mit den Drähten 142, die in die Bohrung 94 gehen, gezeigt. In den Abteilen 18 und 20 sind die Generator-Steuerungen, die im Blockschema 144 in Fig. 1 gezeigt sine, deren elektrische Anschlußdrähte 143 führen zum Abteil 22 und von dort zu Bohrung 93 und von dort via Durchgang 97 zum Generator- Stator. Die Leitungen 148 vom PM-Generator 128 führen durch die Platte 28 und führen Wechselstrom höherer Frequenz zur Steuerung 144. Tastenschalter oder andere Steuerschalter auf der Konsole 19 sind manuell bedienbar um den Motor zu starten und ihn auf Synchrondrehzahl zu bringen. Beim Erreichen der Betriebsdrehzahl, wird ein Generator-Ausgangs- Kontakt entweder manuell oder automatisch aktiviert, so daß erzeugter Strom durch die Leitungen 145 zur Last geliefert wird. Amperemeter, Voltmeter, Steuersignale, Warnlichter und Rotor-Drehzahlgeber und dergleichen können auf der Konsole vorhanden sein.
Bezugnehmend auf Fig. 4 der Zeichnungen, gibt es dort ein schematisches Schema, der elektrischen Bedienung und Steuerung für den Synchronmotor im Motorabteil 42 und die Schaltung zu den Statorspulen und die notwendigen Änderung der Statorspulen gezeigt. Der äußere Stromanschluß 200, der als Dreiphasen-Eingang gezeigt ist, führt zur Strom-Kreis- Unterbrecher 202, der im Abteil 16 angeordnet ist, worin nicht nur die Strom-Kreis-Unterbrecher-Elemente, sondern auch Funkenlöscher, Sicherungen und andere Sicherheits- und Steuer-Komponenten vorhanden sein können. Vom Strom-Kreis- Unterbrecher 2302, führen drei Leiter 204 zum Zweiwegumschalter 206, worin jeder Leiter eines von drei Blättern des Schalters mit Energie versorgt. Der Umschalter kann ein Kontaktgeber sein, der in der im Stromkreisunterbrecher 202 enthalten ist oder er kann ein separater Schalter sein, der manuell oder mit einer Spule oder mit einem auf Drehgeschwindigkeit ansprechenden Auslöser, betätigbar ist. Um den Motor unter normaler Drehmomentlast aus dem Stillstand zu starten, wird der Schalter 206 aus der voll offenen Position bewegt, bis er eine Position erreicht, wo jedes Blatt oder jeder Kontakt, mit einem Kontakt der Leitungen 210A, 210B bzw. 210C kontakt macht, um Wechselspannung an die Enden der Spulen, welche die Wicklungen 162 bilden, zu geben, so daß die Spulen erregt werden und die ganze Impedanz jeder Spule wirksam wird. Der Wechselstrom, der von einer bestimmten Leitung gezogen wird, wird durch die Impedanz dieser Spule bestimmt und der Strom führt zu einem drehenden Magnetfeld erforderlicher Größe, das eine bestimmtes Drehmoment ausübt, um den Rotor zu drehen und zu beschleunigen. Dieses Erregen der ganzen Wicklungen wird als "Normal-Modus" des Motors bezeichnet.
Es gibt Zeiten, wo ein höheres Drehmoment erforderlich ist, als im Normal-Modus, wie z. B. beim Beschleunigen des Motors von einer Zwischengeschwindigkeit auf die volle Synchrondrehzahl. Wenn derartig höheres Drehmoment erforderlich ist, kann der Umlegeschalter 206 betätigt werden, zuerst, um die Blätter oder Kontakte 210A, 210B, und 210C von den Leitungen 212A, 212B, 212C zu trennen und dann mit den Leitungen 212A, 212B, 212C zu verbinden, welche die Netz- Wechselspannung zu den Umlegekontakten 214A, 214B bzw. 214C auf den Spulen welche die Wicklungen 162 bilden, zu bringen. Die Kontakte leiten die Wechselspannung nur zu einer kleinen Zahl von Windungen in jeder Spule, wobei eine geringere Spulenimpedanz wirksam wird, und damit für die selbe Netzspannung eine wesentlich höhere Stromstärke die Wicklungen 162 erregt, wodurch der magnetische Fluß im rotierenden Magnetfeld und sofort auch das Drehmoment zunehmen. In der Praxis wurde das Drehmoment um das 2- bis 3-Fache erhöht, je nachdem wo die Umlegekontakte liegen. Dies wird als der "Beschleunigungs-Modus" bezeichnet.
Wie in Fig 4 gezeigt, sind die Rückkopplungs-Wicklungen 164 mit der Erregerspule 153 über einen kapazitiven Resonanzkreis verbunden, in welchem eine Leitung 220 von einem ersten Anschluß zu einer geschwindigkeitsempfindlichen Schalt- und Steuerschaltereinheit 222 führt und eine Ausgangsleitung 226 der Einheit 222 zu einem Anschluß der Erregerspule 153 führt, und eine Leitung 228 vom andern Anschluß der Erregerspule zu einem Anschluß des Kondensators 230 führt, während eine Leitung 221 den zweiten Anschluß der Rückkopplungs-Spule 164 zum andern Anschluß des Kondensators 230 führt. Für gewisse Anwendungen kann der Kondensator 230 über die Leitungen 226 und 228 angeschlossen sein, wie dies mit gestrichelten Linien gezeigt ist, demnach zur Erregerspule 153 und der Rückkopplungs- Spule parallel geschaltet. Die Rückkopplungs-Wicklung 164 ist schematisch als in den Schlitzen, diametral gegenüber der Erregerspule 38, gezeigt. Aber in der Praxis kann die Lage der Rückkopplungs-Wicklung in andern Schlitzen sein und die Wahl der Anordnung ist insbesondere eine Funktion der Konstruktion und der Auslegung des Motors.
Die Funktionsweise des Erregerspulen-Kreises ist die folgende:
Wenn die Drehzahl des Rotors ungefähr 75% bis 80% des Synchrondrehzahl erreicht hat, wird als eine Folge des Drehmoments, das durch das drehender Magnetfeld im Stator erzeugt wird, der mit dem Rotor und besonders durch das induzierte Feld, das durch die kurzgeschlossenen Leiter 62, die den Rotor-Kern magnetisieren erzeugt wird, reagiert, schließt der drehzahlempfindliche Schalter 222 den Kreis von Leitung 220 zu Leitung 226. und eine Wechselspannung von der Rückkopplungs-Wicklung wird durch den magnetisierten Rotor durch den Kreis, zum Anschluß 230 des Kondensators geleitet. Wechselstrom wird gleichzeitig auch durch die Magnetpole des drehenden Rotors in der Erregerspule 153 erzeugt; in der Schicht 66, wie im Rotor-Kern, und dem rotierenden Magnetfeld des Stators. Der Resonanzkreis verbindet diese verschiedenen Wechselspannungen so, daß ein Einphasenstrom bestimmter Größe und Phase durch die Erregerspule 153 fließt und einen starken, wechselnden Magnetfluß an der Spitze 152 des Polteils 150 erzeugt, so daß die bestimmten Teile der Magnetschicht 66 im wesentlichen in einem Muster von starken magnetischen Nord- und Südpolen, zu einem Sättigungsgrad magnetisiert werden. Diese Magnetpole in Schicht 66 reagieren stark mit dem rotierend Magnetfeld und verursachen eine wesentliche Zunahme des Drehmoments. Der Rotor wird schnell aber sanft die Geschwindigkeit erhöhen, so daß die Synchrondrehzahl bald erreicht ist und ohne jede Schwierigkeit die volle Last an den Rotor angeschlossen werden kann.
Der Synchronmotor nach dieser Erfindung kann im Normalmodus oder im Beschleunigungsmodus oder mit diesen Modi hintereinander, gestartet werden, bis etwa 75% bis 80% der Synchrondrehzahl erreicht ist, und dann ist die Erregerspule mit Strom versorgt, so daß der Rotor im gewünschten Modus, mit hohem Drehmoment weiter beschleunigt, um die Synchrondrehzahl zu erreichen.
Wenn der drehzahlempfindliche Schalter 222 den Resonanzkreis zur Erregerspule schließt, kann es bei einigen Anwendungen günstig sein, gleichzeitig den Umlegeschalter 206 zu betätigen, um zu erreichen daß die Wechselstromleitungen 200 die gesamte Statorwicklung 162 mit Strom versorgt, wozu Mittel, wie die Spule, die vom Schalter 222 über Signale durch die Leitung 224 gesteuert und mit Strom versorgt werden, versorgt werden, wenn für einen 2-poligen 60 Hz-Motor der Punkt von 2700 bis 2900 Umin&supmin;¹ erreicht ist, und der Schalter 206 dann so gestellt wird, daß Netzwechselstrom nur zu den Leitungen 210A, 210B und 210C geht und damit die gesamte Wicklung 162 erregt wird. Auf jeden Fall, wird mit dem Umlegeschalter 206 der Strom zum Nieder-Impedanz-Wicklungsanschluß abgeschaltet und die ganze Wicklung an den Netzstrom geschaltet, wenn die Synchrondrehzahl erreicht ist.
Es ist verständlich, daß die Anschlüsse 214A, 214B und 214C und der Anschluß-Wechselschalter 206 nicht nötig sind oder gebraucht werden müssen mit dem Motor. Sie sind primär dazu vorhanden, um den Motor in die Lage zu versetzen, unter einer schweren oder veränderliche Last zu beschleunigen. Eine Situation, bei welcher der Gebrauch einer Niederimpedanz-Wicklung 162 besonders nützlich ist, ist die Zeit, wenn die Netzspannung kurz unterbrochen ist und der Motor beginnt, Drehzahl zu verlieren, sagen wir von 3600 Umin&supmin;¹ auf 2900 bis 3100 Umin&supmin;¹ (für einen 2-poligen 60 Hz-Motor) und wenn der Netzstrom bei diesem Drehzahlpunkt wieder einsetzt, dann wird Wechselstrom zu den Anschlüssen 214A, 214B und 214C geleitet, so daß der Rotor selbst unter leichten Überlastbedingungen wieder auf Synchrongeschwindigkeit beschleunigt.
Zum Betreiben und Steuern der Generatorspulen in Abteil 43, muß auf Fig. 5 hingewiesen werden, wo geeignete Schaltungen dargestellt sind, um Einphasen-Wechselstrom einer ausreichenden Spannung und einer geeigneten Phasenbeziehung zum richtigen Erregen der Erregerwicklungen 113A, 113B, und 113C zu erzeugen, und Mittel zur Spannungsregelung des erzeugten Wechselstroms des Generators. Der relativ höherfrequente Wechselstrom-Generator in den Wicklungen 136 des PM- Generators 128, wird mit den Leitungen 148 der Steuerung 144, die eine Netzgeräte-Einheit 240 einschließt, in der ein Teil des Wechselstroms gleichgerichtet wird, um einen Gleichstrom zu erzeugen, der mit den Leitungen 242 zu einer Frequenzuntersetzer- und Phasenschiebe-Einheit 244 geleitet wird. Die Einheit 240 weist auch eine Reihe von Sekundärspulen auf, die miteinander als Transformator wirken, in welchen den Primärwicklungen der höherfrequente Wechselstrom von Leitung 148 und von drei Sekundärspulen, die damit gekoppelt sind, solche Wechselspannung wird über die Leitungen 204A, 204B und 204C den Erregertreiber-Einheiten 248A, 248B bzw 248C zugeführt. Jede dieser Erregertreiber- Einheiten wandelt den hochfrequenten Wechselstrom der so erhalten wird, genau in 60 Hz-Wechselstrom, z. B. für einen 60 Hz. Haupt-Generator-Ausgang. Solcher 60 Hz-Wechselstrom wird dann an den ersten Stator abgegeben, z. B. vom ersten Erreger-Treiber 248A über die Leitungen 250A durch eine Drossel-Spule 252A zur entsprechenden Generator-Erregerspule 113A. In den gleichen Kreis, mit der Erregerspule 113A wird eine Wechselspannung über die Rückkopplungs-Spule 115A eingespeist, so daß die in die Rückkopplungs-Wicklung eingegebene Spannung im allgemeinen jeder Spannung, die in der Erregerspule 113A entsteht, entgegenwirkt, indem das Magnetfeld in Schicht 82A vorbeigeht. Ein Kondensator 245A ist, wie gezeigt, mit Leitungen an den Kreis zum ersten Erregertreiber angeschlossen. Bei Synchrondrehzahl ist die Wechselspannung in Rückkopplungs-Spule 115A im wesentlichen gleich der in der Erregerspule 113A mit der magnetischen Schicht 82A beim vorbeigehen erzeugten Wechselspannung. Wenn der Rotor entweder unter oder über der Synchrondrehzahl dreht, ist der kombinierte Wechselstrom der Rückkopplungs-Spule und der Erregerspule ein Netto-Wechselstrom, der es den Erregerwicklungen ermöglicht, die magnetischen Schichten so zu ändern, daß sie derartige Drehzahländerungen ausgleichen. Der zweite und dritte Erreger-Treiber funktionieren in gleicher Weise.
Im Betrieb, magnetisieren die erregten Erregerspulen 113A, 113B und 113C die Schichten 82A, 82B bzw. 82C, wenn sie drehen, in einem gewünschten magnetischen Fluß und in einem gewünschten Muster von Nord- und Südpolen, wobei die stromerzeugenden Spulen 120A, 120B und 120C solchen Magnetfluß auffangen und Wechselstrom einer bestimmten Spannung und der exakten Frequenz des Wechselstroms der die Erregerspulen speist, erzeugen. In einer Ausführungsform ist der Strom der im wesentlichen den Erregerspulen 113A, 113B und 113C zugeführt wird, in seiner Größe bestimmt und groß genug um die magnetischen Schichten 82A, 82B und 82C praktisch zu sättigen. Doch, wenn gewünscht, kann die Wechselspannung, die in den Wicklungen 120A, 120B und 120C werden, indem z. B. eine Referenz-Wechselspannungs-Quelle 256 zur Ausgangswicklung 145A geführt wird, und führt diese Spannung zu einem Frequenz-Untersetzer 244, worin der letztere die erforderliche Wechselstrom-Steuerspannung welche über die Leitungen 158A, 158B und 158C den verschiedenen Erreger-Treibern 248A, 248B und 248C zugeführt wird, um über die Leitungen 250A, 250B und 250C die erforderliche Wechselspannung zu den Drosselspulen 252A, 252B und 252C, und von dort zu den Erreger-Spulen 113A, 113B und 113 zu leiten, um die erforderliche magnetische Feldstärke zu erzeugen.
Um die erzeugte Ausgangsspannung in den Wicklungen 120A, 120B und 120C zu regeln, kann ein veränderlicher, Blind- Lastregler 258A, 158B und 158 zwischen die Leitungen 145A, 145B und 145C und den Nulleiter 174 geschaltet werden. Solche Blindlastregler können je verschiedene Drosselspulen mit Induktivitäten von z. B. 20, 40 und 80 mH (Millihenry) umfassen, die z. B. zwischen die Leitungen 145A und 174 geschaltet sind, und einer Spannungsempfindlichen Regelung können vorgesehen sein, um eine oder mehrere dieser Blindleistungs-Spulen im Kreis zu verbinden, um mit Ankerrückwirkung einen effektiven Abfall im Drehfeld zu erzeugen, und dabei die Spannung in der Leitung 145A zu reduzieren. Die spannungsempfindlichen Elemente, die in den Einheiten 258A, 258B und 258C enthalten, oder außerhalb davon angeordnet sein können, können jeden der bekannten elektrischen oder elektronischen Schalter umfassen, die auf Spannungsänderungen ansprechen, wenn die Spannung unterhalb oder über einen gegebenen Spannungs-Bereich steigt oder fällt, wobei dann eine oder mehrere Drosselspulen dem Kreis zugeschaltet, oder weggeschaltet werden. Natürlich kann der Lastregler von einem Bediener betätigt werden, der das Voltmeter im Ausgangskreis abliest und die Schalter zu den Drosselspulen manuell öffnet und schließt. Die erzeugte Ausgangs- Wechselspannung kann so leicht innerhalb von plus oder minus 2% geregelt werden, z. B. im Bereich von 120 V Ausgangsspannung auf plus oder minus 2.5 Volt.
Um die genaueste, kontinuierlich sich anpassende Spannungsregelung der Generator-Ausgangs-Wechselspannung sicher zu stellen, wird die in diesen Bereichen erzeugte Wechselspannung der Generatorwicklungen 120A, in den Kernen 112A und 112B z. B. in einem gewissen Mass, bezogen auf die Wechselspannung im Abschnitt der Wicklung 120A die im Kern 112A erzeugt wird, phasenverschoben. Das Phasenschieben des in der Wicklung von Kern 112A erzeugten Wechselstroms wird so ausgeführt, daß sie einen bestimmten Betrag nachläuft, und die Wicklung in Kern 112B der Phase des Wechselstroms in der Wicklung 120A im Kern 112C um den gleichen Betrag vorausläuft. Die gesamte, vektoriell integrierte Wechselspannung, die in der Wicklung 120A erzeugt wird, kann deshalb spürbar kleiner sein, als wenn es keine Phasenschiebung gibt. In gleicher Weise werden die Wechselspannungen, die in den Wicklungen 120B und 120C mit Phasenschieben geregelt. Verschiedene Mittel können verwendet werden, um die gewünschte Phasenschiebung zu erreichen. Ein solches Verfahren ist das Regeln der Phase der Wechselstromphase die zu jeder der Erregerspulen 113A, 113B und 113C geliefert wird, so daß die Schichten 84A und 84B so magnetisiert werden, daß sie ein verschobenes Muster von nord- und südmagnetischen Polen erzeugen und diese wiederum, werden einen phasenverschobenen Wechselstrom in den Spulenabschnitten 110 erzeugen, die an den Schichten 84A, 84B und 84C vorbeidrehen. Elektrische und elektronische Mittel zum erreichen der Phasenschiebung in den Erregerspulen sind im US-Patent 4.177.414 beschrieben und insbesondere sollten die Schaltungen von Fig. 5, 7A und 7B darin und die sich darauf beziehenden Teile der Beschreibung beachtet werden.
Irgendeines von verschiedenen elektronischen Mitteln kann verwendet werden für das Regeln der Erzeugung von Einphasenwechselstrom für die Erregerspulen von Motor und Generator der NIPS-Einheit. Ein geeignetes Mittel für das in Intervallen wiederholte Abgeben von einphasigem Wechselstrom an die Erregerspulen 113 und 153, umfaßt Standard-TTL-Untersetzer-Chips in einer elektronischen Schaltung mit denen in einem Zeitintervall von, sagen wir einer Sekunde, nachdem der Motor die Synchrondrehzahl erreicht hat, der Schalter 222 in Fig. 4 über die Leitung 224 aktiviert wird, um den Fluß eines Wechselstroms durch die Kreise 220, 226, 228 und 221 zur Erregerspule 153 für eine längere Zeitdauer, von sagen wir 10 Sekunden zu verursachen und wobei dieser Ein-Aus-Vorgang dann wieder holt wird. Solche Einschaltzeiten können von so klein wie eine Periode eines 50 Hz- oder 60 Hz-Wechselstroms bis zu mehreren Sekunden dauern, während die darauffolgenden Aus-Perioden 4 bis 20 mal länger sein können. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch der Erregerspulen und damit wird der Gesamtwirkungsgrad der NIPS-Einheit verbessert.
Nachdem die Synchrondrehzahl erreicht ist, kann es weiter passieren, daß der Rotor "pendelt", d. h. in größeren Zeitperioden mit höherer und tieferer Drehzahl als der Synchrondrehzahl, dreht, wie der plötzlichen Lastwechsel oder die Änderungen der Netzfrequenz verursachen kann. Um das "Pendelnd" des Rotors zu beenden und zur konstanten Synchrondrehzahl zurückzukehren, können elektronische Mittel, die TTL-Untersetzer-Chips verwenden, die mit frequenzempfindlichen Mitteln gekoppelt sind, in einem elektrischen Kreis vorgesehen sein, um die Erregerspulen zu erregen und dem "Pendeln" entgegenzuwirken.
Viele Arten von magnetisierbaren permanentmagnetischen Werkstoffen können im Motor und Generator dieser Erfindung verwendet werden. Die Schichten 82A, 82B und 82C z. B. enthalten mit Vorteil einen elektrisch nichtleitenden, permanentmagnetischen Werkstoff sie Ferrit. Metallische permanentmagnetischen Materialien wie Alnico-Legierungen können verwendet werden, wenn sie in einer solchen Art hergestellt sind, wie das Vermischen des pulverisierten Materials mit einem Harzbinder, um darin die Wirbelstromverluste, die vom Erregerfluß herrühren auf ein annehmbares Niveau zu reduzieren.
Barium-Ferrite und/oder Strontium-Ferrite, haben ausgezeichnete Resultate gebracht bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung. Neuere und verbesserte Typen von Ferriten und ähnliche magnetisierbare, magnetische Werkstoffe sind heute erhältlich und sind in Entwicklung und werden möglicherweise verfügbar sein für die Verwendung zum Herstellen der Schichten aus magnetisierbarem, permanentmagnetischem Material. Die Hysterese-Kurve von zwei Ferriten, die gute Ergebnisse mit Versuchsmotoren und mit Versuchsgeneratoren gebracht haben, sind in Fig. 6 gezeigt. Ein gerichteter Barium-Ferrit der seit einigen Jahren kommerziell erhältlich ist unter der Handelsbezeichnung "Grade 5 Ferrit" wurde in Montagevorrichtung, die den magnetischen Pfad in einem wirklichen Motor darstellt, geprüft, indem 0.33 in (0.84 cm) dicke Proben einem Hysterese-Zyklus-Test unterzogen wurden, bei welchem eine magnetisierende Kraft in der einen Richtung und dann in der entgegengesetzten Richtung angewendet wurde, und für die eine Probe, die magnetische Kraftflußdichte in Gauss, gegen die magnetische Feldstärke in Oersted aufgetragen wurde. Die Parameter für einen geschlossenen Umlauf sind für dieses Material eine Br von 4000 Gauss und ein Hc von 2300 Örsted.
Ein anderer verfügbarer Ferrit, der mit S 4109 bezeichnet wird, wurde gleich getestet und zeigte eine quadratischere und kleinere Hysterese-Kurve N. Entsprechende Umlaufeigenschaften für diesen zweiten Ferrit, sind 4100 Gauss für Br und 900 Örsted für Hc. Selbst wenn dies Muster 0.64 in (1.63 cm) dick sind, braucht es weniger magnetische Feldstärke um Sättigung zu erreichen als dies für ein kürzeres Material-Muster von Kurve M nötig ist. Dies erlaubt eine dickere Schicht von Material der selben Art wie S 4109 zu verwenden, ohne teure oder modifizierte Erregerkomponenten. In einem Generator nach dieser Erfindung, ist die Leistung, die bei einer bestimmten Nennspannung erbracht werden kann, eine Funktion der Maschinenimpedanz. In Wechselstrom-Generatoren wird diese Impedanz im wesentlichen durch die Ankerrückwirkung verursacht. Der Effekt der Ankerrückwirkung wird auf ½ reduziert, wenn z. B. die Dicke der Ferrit- Schicht verdoppelt wird. Deshalb, kann, wenn ein Material mit der Charakteristik wie S 4109 verwendet wird, die Nennleistung der Maschine wesentlich über das hinaus erhöht werden, was gefordert würde, wenn ein konventionelleres Ferrit-Material wie "Grade 5 Ferrit" verwendet würde.
Die Form dieser Kurven im zweiten Quadranten veranschaulichen diesen Vorteil. In der Kurve M ist der Punkt Om ein typischer Arbeitspunkt im zweiten Quadranten. Die Kurve hat in diesem Punkt eine größere Steilheit und einen niedrigeren Wert in Gauss, im Vergleich mit Punkt On und deshalb kann im typischen Arbeitspunkt, für das Material N ein dickerer Magnet verwendet werden. Im Punkt On hat das Material N etwa 50% mehr magnetische Feldstärke in Gauss als das Material M im Punkt Om; auch wegen dem dickeren Magneten, ist die Steigung der Kurve On flacher und erbringt bessere Maschinen-Eigenschaften, als jene mit dem Material M. Die optimale Dicke der Ferrit-Schicht 52 in Fig. 2 oder 123 und 124 in Fig. 4 hängt von dar Charakteristik des Ferrits oder anderen permanentmagnetischen Materials ab. Demnach können Ferrit M und andere Ferrite gleicher Art in Schichten von 0.2 bis 0.4 in (etwa 0.5 bis 1.0 cm) Dicke verwendet werden für Motoren von bis zu 40 PS oder Generatoren von 30 kW, und von einer Dicke von 0.3 bis 0.5 in (etwa 0.75 bis 1.3 cm) für einen 40 PS Motor (30 kW) und bis zu 1 Zoll (2.54 cm) und mehr als 1 Zoll für größere Motoren und in Generatoren mit vergleichbaren Leistungen, von z. B. 60 kW und mehr. Die relative Permeabilität, die durch die Steigung der Kurven M und N bei den Arbeitspunkten ON und OM angegeben wird, ist im wesentlichen Einheitlich. Die Verwendung einer dickeren magnetischen Schicht erhöht effektiv den magnetischen Luftspalt, der im Feld der Stator-Spulen gesehen wird und verringert die Maschinenimpedanz indirektproportional dazu. Dadurch erlaubt der Gebrauch von Magnetmaterial mit der durch Kurve N gezeigten Charakteristik dem Motor mehr Netzstrom aufzunehmen bevor übermäßige Drehmomentwinkel erreicht sind und demnach wesentlich mehr Drehmoment abzugeben, als eine andere Maschine gleicher Größe. Da die Steigung im zweiten Quadranten effektiv die Spannungsregulierung bestimmt, wurden gleichfalls verbesserte Resultate erreicht, mit Generatoren in denen Ferrit-Material mit der Kurve N verwendet wurde. Die Verwendung dieses beschriebenen magnetischen Materials, reduziert die gesamte Größe von Maschinen einer bestimmten Leistung wesentlich.
Das Ferrit-Material N hat hervorragende Resultate erbracht, wenn dieses für die Schicht 82 im Motor und für Schichten 92A, 92B und 92C im Generator verwendet wurde und diese verbesserten Resultate ergaben sich aus der Tatsache, daß die Koerzitivkraft Hc in Örsted einen numerischen Wert der weniger als 45% des numerischen Werts der Restfeldstärke B in Gauss des voll gesättigten Materials ausmacht. Jeder andere Ferrit oder permanentmagnetische Werkstoff, der gleiche Eigenschaften hat, würde außerordentlich geeignet sein zum Verwenden im Motor und Generator nach dieser Erfindung.
Während die vorliegende Erfindung anwendbar und machbar wurde wegen des neuen Synchronmotors des Anmelders wie er beschrieben wurde, kann vorausgesehen werden, daß andere, verbesserte Synchronmotoren entwickelt werden und verfügbar sein werden, die in der Lage sind den vorliegenden Generator, der einen Rotor mit hohem Trägheitsmoment hat, anzutreiben. Dementsprechend können solche Synchron-Motoren den hier beschriebenen Motor ersetzen, um den verbesserten, Generator mit hohem Wirkungsgrad, wie er hier gezeigt ist, anzutreiben.
Ein Motor-Generator der im wesentlichen der Konstruktion, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, entspricht, und mit einer 2-Pol-Konfiguration, der eine Nennleistung von 25 PS (18.6 kW) hat und ein Gesamtträgheitsmoment des Rotors von 434 lb-ft im Quadrat aufweist, wurde mit 60 Hz, 3-Phasen- Wechselstrom von 208 Volt versorgt und Versuche betreffend Strom und Drehmoment wurden aus dem Stillstand bis zur Synchrondrehzahl durchgeführt. Wenn der Motor im Normalmodus an das Netz geschaltet wurde und mit der Erregung gesamten Wicklungen, war der maximale gezogenen Strom etwa 106 Ampere und er fiel langsam auf 75 Ampere wenn der Rotor eine Drehzahl von 2800 Umin&supmin;¹ erreichte. Das Start-Drehmoment des Motors war 30 lb-ft, welches konstant blieb bis etwa zum 2800 Umin&supmin;¹-Punkt. Bei der Drehzahl von 2800 Umin&supmin;¹ wurde die Erregerwicklung mit einem Einphasen-Wechselstrom versorgt und der gezogene Netzstrom fiel sofort auf 74 Ampere, während das Drehmoment auf etwa 48 lb-ft stieg und bei Zunahme der Rotor-Drehgeschwindigkeit fielen die Ampere-Werte auf etwa 46 Ampere am Punkt, gerade, bevor die Synchrondrehzahl von 3600 2800 Umin&supmin;¹ erreicht wurde. Die Synchrondrehzahl nahmen Drehmoment und Eingangsstrom die für die angehängte Last erforderlichen Werte an. In allen Fällen beschleunigte der Motor leicht und ruhig auf Synchrondrehzahl, selbst wenn eine beträchtliche Last angehängt war. Selbst bei den hohen Ventilationsverlusten, die mit Rotor-Konstruktionen für hohe Trägheitsmomente verbunden sind, zeigten die Versuche, daß der Wirkungsgrad des Motors 91% betrug bei einer Ausgangsleistung von 25 PS und der Wirkungsgrad fiel sehr wenig auf 89% bei 15 PS Ausgangsleistung und auf 79% wenn nur 7.5 PS Ausgangsleistung erforderlich waren. Bei vielen Elektromotoren, verursacht der wesentliche Abfall der Ausgangslast in dieser Größenordnung, gewöhnlich einen drastischen Abfall des Wirkungsgrads von oft unter 60% bis 70%.
Dieser gleiche Versuchsmotor wurde auch im Beschleunigungsmodus betrieben indem ein Anschluß an die Statorwicklung an jenem Punkt gemacht wurde, wo nur etwa 75% der ganzen Wicklung erregt sind, so daß die Impedanz wenig über 50% der Impedanz der ganzen Wicklung war. Der Anfangsstrom, der gezogen wurde, war etwa 210 und das Anfangsdrehmoment war etwa 50.3 lb-ft. Das Drehmoment fiel stetig bis auf 44 lb-ft bei 2800 Umin&supmin;¹, während der gezogene Strom auf 178 Ampere fiel. Bei 2800 Umin&supmin;¹ wurden die Erregerspulen angeschlossen und das Drehmoment stieg auf über 60 lb-ft und der Strom fiel kurz vor dem Erreichen der Synchrondrehzahl von 3600 Umin&supmin;¹ auf 96 Ampere.
Der Versuchsmotor wurde wiederholt gestartet und auf 2800 Umin&supmin;¹ beschleunigt, im Normalmodus und im Beschleunigungsmodus, wo dann die Erregerspule angeschlossen wurde, so daß der Rotor die Synchrongeschwindigkeit unter Vollast erreichte und dann wurde das Netz abgeschaltet um einen kurzen Netzausfall zu simulieren, wobei der Motor auf eine Drehzahl von 31500 Umin&supmin;¹ und tiefer fallen konnte und in diesem Punkt der volle Wechselstrom wieder hergestellt wurde. In jeden Fall startete der Motor wieder und beschleunigte unter Last ruhig, ohne elektrische Sprünge, Überhitzen, oder anderen Schwierigkeiten und erreichte jedesmal leicht die Synchrondrehzahl. Der Geräuschpegel des 25 PS-Motors (18.7 kW) kann mit weniger als 70 db im Abstand von einem Meter angegeben werden.
Die Motor-Generator-NIPS-Einheit, welche diesen beschriebenen Motor verwendete, hatte eine Rotor-Schale, welche einen Zweipol-Motor und einen Zweipol-Wechselstromgenerator enthielt, wobei der äußere Schalendurchmesser 16.5 Zoll (41.9 cm) betrug, mit Wänden von 1 Zoll (2.54 cm) Dicke und das Gesamtgewicht etwa 1200 Pfund (etwa 545 kg) betrug, und ein mit den Rotorschichten und zusammen mit dem permanentmagnetischen Material, ein Trägheitsmoment von 434 lb-ft im Quadrat (13.5 slug-ft im Quadrat) hat. Wenn der Motor an 60 Hz-Wechselstrom vom Netz angeschlossen wurde, konnte er leicht, in weniger als 3 Minuten auf 3600 Synchrondrehzahl gebracht werden und die Ausgangsleistung zu einem Verbraucher, war Dreiphasen-Wechselstrom von 208 Volt und 42 Ampere, die bei Vollast abgegeben wurden, was sicher erhöht werden konnte, um wesentliche Überlasten von 60 Ampere oder mehr während der Zeitdauer von mehreren Minuten Dauer aufzufangen.
Versuche wurden durchgeführt, in denen der Netz-Wechselstrom zum Motor mit einem Abschalter unterbrochen wurde, und die Wechselstrom-Generator-Komponenten ununterbrochen fortfuhren, Wechselstrom von 60 Hz zu liefern, ohne daß sich die Spannung signifikant veränderte, indem die Rotationsenergie des Rotors, zwischen 3600 Umin&supmin;¹ und 3150 Umin&supmin;¹ gewandelt wurde, wobei die letztere als die praktizierbare niedere Drehgeschwindigkeit betrachtet wird, bei der die volle Ausgangsleistung abgegeben und die Spannung gehalten werden kann. Für das oben angegebene Gewicht des Rotors, das als mittlere Größe und mittleres Gewicht betrachtet werden kann, standen etwa 23% der kinetischen Energie des Rotors zur Verfügung, indem die Drehzahl auf 3150 Umin&supmin;¹ zurückging und die volle Leistung bei 60 Hz wurde während etwa 15 Sekunden erbracht.
Wenn im Falle eines Netzausfalls weniger als die normale Voll-Last-Ausgangsleistung abgegeben werden muß vom Wechselstrom-Generator, wird der Generator eine derart reduzierte Leistung für eine Zeitdauer von länger als 15 Sekunden abgeben, nach dem vollständigen Netzausfall. Wie in der Kurve von Fig. 7 gezeigt ist, wo die Überbrückungszeit für verschiedene Lasten gezeigt ist, kann ein Voll-Last für etwa 15 Sekunden abgegeben werden und für eine längere Zeitdauer für Lasten von weniger als 100% der vollen Nennleistung des Generators. Nach einem Netzausfall wird der Generator etwa 25% der vollen Leistung während etwa 23 Sekunden liefern. So kann in einer wirklichen Situation, wo der NIPS-Generator fünf verschiedene Leistungen liefert, wobei bei voller Wechselstrom-Leistung jeder etwa die gleiche Leistung beansprucht, und vier Verbraucher weniger kritisch sind und in wenigen Sekunden abgestellt werden können, während eine mit einer kritischen Tätigkeit beschäftigt ist, welche eine lange Überbrückungszeit erfordert, dann könnte die letzte Einheit während wenigstens etwa 30 Sekunden voll versorgt werden.
Wo die lange Überbrückungszeit von etwa 30 bis 40 Sekunden bei voller Leistungs-Abgabe erwünscht ist, kann diese zu nur sehr mäßigen Kosten geliefert werden, indem die Rotorschalen-Dicke vergrößert wird, um erhöhte kinetische Rotations-Energie zu schaffen. Z.B. kann das Erhöhen der Schalen-Wanddicke von 1 Zoll auf 2.5 Zoll (2.54 auf 6.4 cm) leicht erreicht werden und mit einer bescheidenen Erhöhung des Preises der Einheit und die Überbrückungszeit wird damit mehr als verdoppelt. Diese Zusatz-Drehmasse außen auf dem Rotor anzubringen ist leicht und einfach zu machen und ist äußerst wirksam und braucht weniger Änderungen an der Maschine, als z. B. das anbringen eines zusätzlichen Schwungrades, wo zusätzliche Lager, usw. notwendig würden. Indem dies vollständig unabhängig geschieht und in einem kleinen Gesamtvolumen, ist dies viel kleiner und ruhiger, als eine Maschine mit einem äußeren Schwungrad.
Die Frequenz der Zusatz-Wechselstrom-Ausgangsleistung des Generators nach dieser Erfindung kann leicht konstant gehalten werden bei 60 Hz +/- 0.20%, und zwar im stationären Zustand und während der Überbrückungsdauer. Die Spannung kann sehr leicht innerhalb von +/- 5%, oder besser auf jede erforderliche Spannung geregelt werden, und zwar bei stationären Bedingungen als auch unter unausgeglichenen Lastbedingungen, wo die Unausgeglichenheit bis zu 100% erreichen kann. Die gesamte harmonische Verzerrung des abgegebenen Wechselstroms ist typisch weniger als 5%.
Eine wichtige, erwünschte Eigenschaft der Motor-Generator- NIPS-Einheit der Erfindung ist ihr ungewöhnlich niedriger Laufruhe die etwa 60 bis 65 db-A im Abstand von 3 Fuss von der Einheit, beträgt. Dies ist zu einem großen Teil auf den verwendeten Motor in der Einheit zurückzuführen, der mit Synchrondrehzahl läuft, obwohl der Generator an sich schon ruhiger als gewöhnliche Wechselstromgeneratoren ist.
Der Motor läuft auch und wird ganz gut arbeiten, selbst wenn er mit Wechselstrom beschickt wird, dessen Spannung zwischen plus 10% und minus 20% der Nennspannung variiert und wofür dieser ausgelegt ist.
Es kann beobachtet werden, daß sehr oft in Verbindung mit empfindlichen Lasten, die Wechselstrom von genauer, konstanter Frequenz und konstanter Spannung erfordern, auch Anlagen und Nebenlasten angeschlossen sind, die Wechselstrom brauchen, der nicht eine genaue Frequenz und Spannung haben muß. Z.B. sind elektronische Datenverarbeitungsanlagen und Computer normalerweise in fensterfreien Räumen untergebracht, die eine helle Beleuchtung brauchen, und es sind kleine elektrische Motoren vorhanden, oder Apparate, die mit Gleichstrom laufen, der durch Gleichrichten von Wechselstrom erzeugt wird, elektrische Drucker, Schreibmaschinen und andere Einheiten, die mit elektrischer Energie betrieben werden. Beleuchtung ist besonders kritisch an solchen Orten, weil bei einem Stromausfall der Raum in völlige Dunkelheit taucht und die Bediener großen Schwierigkeiten begegnen werden, die Geräte abzustellen oder runterzufahren. Auch wenn computerbetriebene Robotereinrichtungen mitten in einem Arbeitsvorgang - z. B. beim Schweißen oder beim Verschieben eines Werkstücks - dann könnte der Computer an einem Motor-Generator nach der vorliegenden Erfindung angeschlossen sein, aber die Robotereinrichtung hört plötzlich auf zu funktionieren, weil sie gewöhnlich direkt am Netz angeschlossen ist und die Arbeit, die geschweißt werden oder transportiert werden muß kann zerstört oder unsauber ausgeführt werden, besonders wenn das Netz erst einige Sekunden oder Minuten später wieder einschaltet.
Um solche Schwierigkeiten während kurzen oder momentanen Netzausfällen auszuschalten oder zu beheben, ist es eine weitere Eigenschaft dieser Erfindung, den Wechselstrom-Motor selbst in einen Wechselstrom-Generator zu wandeln, der seine Rotationsenergie während etwa 15 Sekunden oder mehr zum Erzeugen von Energie nutzt, brauchbarer Wechselstrom von mäßig ändernder Spannung und Frequenz, zum betrieben des Beleuchtungsystems und zum Betreiben von Hilfs-, Peripherem oder anderen Vorrichtungen, gleichzeitig mit dem Wechselstrom-Generator, der den präzisen Wechselstrom für den Computer oder andere wechselstrom-empfindliche Geräte liefert.
Bezugnehmend auf Fig. 8, ist ein schematisches Schema eines vollständigen Duplex-Systems gezeigt, das auf einem Motor- Generator-NIPs nach dieser Erfindung beruht. Der Motor-Generator 10 hat Verbraucher-Ausgangsleitungen 145, die Wechselstrom mit einer präzisen Frequenz und Spannung an die empfindlichen Lasten 300 abgeben, und zwar sowohl während Wechselstrom von der Netzleitung fließt als auch während der Dauer von einigen Sekunden, wenn das Stromnetz einen Ausfall erfährt. Während jedem Ausfall oder Wechselstrom- Unterbruch, bewirkt ein Signal von der Rückleistungs-sensor-Einheit 304 den Unterbrecherschalter 140, sofort den Stromkreis zur Netzleitung 200 zu unterbrechen, da sonst der Motor in der Einheit 10 in das Netz 200 Wechselstrom abgeben würde. Der Kreis 306 liefert dann Strom, der vom Motor erzeugt wird von Leitung 142 zum Beleuchtungs-System und anderen kritischen Hilfsmotoren und anderen peripheren Vorrichtungen. Der Wechselstrom, der vom Motor erzeugt wird, hätte nicht eine so genaue Spannung und Frequenz, wie die Leitung 160, aber wäre ausreichend für solche periphere Einheiten. Die schwerere Schale für den Rotor würde ermöglichen, beide Wechselströme während kurzen Stromunterbrüchen von bis zu 15 Sekunden bei Vollast leicht aufrechtzuerhalten.
Eine zusätzlich Eigenschaften dieser Anwendung von Fig. 8, ist, Mittel zum Beliefern der Motor-Erregerspulen 153 mit Einphasen-Wechselstrom zu schaffen, der in Phase und Frequenz dem Wechselstrom entspricht, der mit den Generator 43 während kurzen Stromausfällen erzeugt wird. Solche Mittel umfassen auf Netzausfall ansprechende Schalter 312, welche ansprechen, wenn sie über die Leitung 314 ein Signal vom Rückleitungs-Sensor 304 erhält, das anzeigt, daß die Leitung 200 keinen Wechselstrom liefert und daraufhin werden Kreise geschlossen, um Wechselstrom durch die Leitung 18 vom Wechselstrom-Generator-Ausgang zur Leitung 316 die mit der Motor-Erreger-Wicklung 153 verbunden ist, zu führen. So wird die Erregerwicklung mit Wechselstrom der gleichen Frequenz und Phase, wie in der Ausgangsleitung 145, beschickt. Dies stellt sicher, daß die Frequenz in der Leitung 306 fest bleibt.
Es ist selbstverständlich, daß die Motor-Generator-NIPS- Einheit der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Größen und für verschiede Ausgangs-Leistungsbereiche hergestellt werden kann. Kleine Einheiten mit Wechselstrom-Generatoren von 5 kVA oder weniger Ausgangsleistung können an der einen Grenze liegen, während größere Einheiten von 100 kVA und größerer Wechselstrom-Kapazität gleichfalls ausführbar sind.

Claims

1. Motor-Generator-Einheit für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (NIPS: non-interruptible power system), wobei der Antriebsmotor von einer Quelle (200) mit Wechselstrom, der Spannungs- und Frequenzunregelmäßigkeiten und vollständigen Stromunterbrechungen für unterschiedliche Zeitabschnitte ausgesetzt sein kann, erregt wird und wobei der Generator an eine Last Wechselstrom einer gewünschten im wesentlichen konstanten Frequenz und Spannung jederzeit, wenn die Wechselstromquelle den Antriebsmotor mit nutzbarem Wechselstrom versorgt, und für eine Zeitdauer in der Größenordnung von Sekunden während Stromunterbrechungen liefern kann, wobei die Motor-Generator-Einheit (10) einen Träger (12),

(A) einen Synchronmotor (42) auf dem Träger mit einem Stator (104) mit Wicklungen (162), die mit Wechselstrom von einer Quelle (200) zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes erregt werden, und einem Rotor, der einen Kern (50) mit einer daraufliegenden Schichten (66) aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff umfaßt, wobei der Motor, der ein großes Drehmoment bei allen Drehzahlen vom Anlauf bis zur vollen Synchrondrehzahl entwickelt, mit dem Wechselstromgenerator verbunden ist und diesen antreibt, und

(B) einen Wechselstromgenerator (43), der am Träger befestigt ist und einen Rotor (74) mit großer rotierender Masse umfaßt, der einen zylindrischen, zum Rotieren auf Lagern (32) auf dem Träger befestigten Mantel (43) enthält, wenigstens einen Kernkörper (74) aus Weichmagnetwerkstoff, der an der innenseitigen Wand (76) des Mantelelementes befestigt ist und eine innere zylindrische Seite (80) aufweist, auf der eine Schicht (82A, 82B und 82C) aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff befestigt ist, wobei die Schicht eine exponierte zylindrische Oberfläche (84) koaxial mit der Rotationsachse des Mantelelementes aufweist, der Stator des Generators ein Wellenelement (90), das an dem Träger befestigt ist und innerhalb des Mantelelementes angeordnet ist, wenigstens einen Kernkörper (112A, 112B und 112c) aus Weichmagnetwerkstoff mit einer mit Nuten versehenen äußeren Oberfläche und an dem Wellenelement befestigt, wobei die mit Nuten versehene Oberfläche koaxial angrenzend und im wesentlichen von gleicher Ausdehnung mit der magnetischen Schicht auf dem Rotor ist und mit einem Rotationszwischenraum dazwischen, und eine Vielzahl von Nuten (160G und 150G) in der zylindrischen Oberfläche, wobei die Nuten im allgemeinen axial angeordnet sind, umfaßt,

wechselstromerzeugende Wicklungen (120) in den Statornuten (160g), zwei benachbarte Nuten in jedem Generatorkernkörper mit einem dazwischenliegenden Polstück (150G), um das eine Erregerspule (113A, 113B und 113C) angeordnet ist, wodurch, wenn die Erregerspule mit Einphasenwechselstrom versorgt wird, das Polstück einen starken magnetischen Fluß alternierender Polarität ausüben wird, so daß die an das Polstück angrenzende Schicht aus Dauermagnetwerkstoff während der Rotation des Rotors in ein ausgewähltes Muster von Nord- und Südmagnetpolen magnetisiert wird, eine Rückkopplungswicklung (115A, 115B und 115C) in ausgewählten Nuten (164G) in jedem Generatorstatorkern, so daß während synchroner Rotation des Rotors die magnetischen Pole in der Schicht ein Wechselstrompotential sowohl in den Rückkopplungswicklungen als auch in der Erregerspule erzeugen werden, und wobei die Wechselstrompotentiale in beiden im wesentlichen gleich sein werden und eine elektrische Schaltung, die die Rückkopplungswicklungen und die Erregerspule verbindet, so daß die Wechselstrompotentiale sich jeweils gegenüberstehen werden und die so erzeugten Wechselstrompotentiale in der Erregerspule unterdrücken werden, und Mittel (248A, 248B und 248C) zum Liefern von Einphasenwechselstrom einer gewünschten Frequenz zur Erregerspule, so daß eine solche Erregerspule die an sie angrenzende Schicht aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff in das gewünschte Muster von Nord- und Südmagnetpolen magnetisieren wird, wodurch die im wesentlichen konstante Wechelstromfrequenz in den Wechselstromwicklungen (120) induziert wird, enthält.

2. Motor-Generator-Einheit (10) nach Anspruch 1, wobei der Wechselstromgenerator (43) wenigstens einen Rotorkörper (74) aus Weichmagnetwerkstoff mit einer Oberflächenseite (80), auf der eine Vielzahl von axial beabstandeten Schichten (82A, 82B und 82C) befestigt sind, enthält, wobei jede Schicht eine exponierte zylindrische Oberfläche (84) koaxial mit der Rotorkörperachse, und der Stator eine gleiche Anzahl von mit Nuten versehenen Kernkörpern (112A, 112B und 112C), die angrenzend an und konzentrisch zur zylindrischen Oberfläche seiner Schicht sind, aufweist, und jeder mit Nuten versehene Kernkörper eine Erregerspule (153G), eine Rückkopplungswicklung (164G) mit einer elektrischen Schaltung, die die Rückkopplungswicklung mit der Erregerspule in ihrem Kern verbindet, und wechselstromerzeugende Wicklungen in jedem Kern aufweist, wodurch die Wechselstromwicklungen Mehrphasenwechselstrom während der Rotation des Rotors erzeugen werden.

3. Motor-Generator-Einheit nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus magnetisierbarem Dauermagnetwerkstoff (82A, 82B und 82C) im Generatorrotor einen magnetischen Werkstoff mit einer Koerzitivkraft Hc (in Oersteds) umfaßt, die weniger als etwa 0,45 des numerischen Wertes der Restinduktion Br (in Gauss) des vollständig gesättigten Werkstoffs beträgt.

4. Motor-Generator-Einheit nach Anspruch 2, wobei die wechselstromerzeugenden Wicklungen (120) gemeinsame Windungen aufweisen, die sich durch die Nuten von allen Kernkörpern des Generatorstators erstrecken.

5. Motor-Generator-Einheit nach Anspruch 1, wobei der Stator (104) des Motors (42) und der Stator (112A, 112B und 112C) des Generators (43) auf demselben Wellenelement (90) befestigt sind und die Rotoren sowohl des Motors (50) als auch des Generators (74) innerhalb eines gemeinsamen zylindrischen Mantels (40), der um das Wellenelement (90) und die Motor- und Generatorstatoren herum angeordnet ist, verteilt sind, wobei der Motorstator einen Körper aus mit Nuten versehenen Schichten (104) und der Generatorstator einen Körper aus mit Nuten versehenen Schichten (112A, 112B und 112C), von denen jede mit dem Wellenelement fest verbunden ist, und federnde Druckmittel (106 und 118), aufweist, die an entgegengesetzten Enden des Wellenelements befestigt sind und zum Zusammendrücken beider mit Nuten versehener Kerne und zum Aufrechterhalten des Wellenelements unter Spannung aufgebracht sind.

6. Motor-Generator-Einheit nach Anspruch 1, wobei der gemeinsame zylindrische Mantel (40) die Rotoren sowohl des Synchronmotors (42) als auch des Generators (43) in dessen Inneren befestigt enthält, wobei der Motorrotor einen Körper aus Schichten umfaßt, die einen ringförmigen, fest an dessen innerer Oberfläche befestigten Kern (50) bilden, eine Vielzahl von kurzgeschlossenen Leitern (62) innerhalb des Kerns und axial darin verteilt, wobei der Kern eine innere Oberfläche (64) von runder zylindrischer Form und eine Schicht (66) eines magnetisierbaren Dauermagnetwerkstoffs aufweist, die auf die innere Oberfläche aufgebracht ist, und eine äußere Oberfläche (68) von runder zylindrischer Form, koaxial mit der Achse des Statorkerns (104) und axial daran angrenzend und mit einem Rotationszwischenraum dazwischen, aufweist, wobei der Motorstatorkern (104) eine Vielzahl von Nuten (160), in die Leistungswicklungen (162) verteilt sind, und ein Paar größerer Nuten (151) mit einer Erregerspule (153) darin zum Magnetisieren der Schicht aus Dauermagnetwerkstoff (66) in ein Muster aus Nord- und Südmagnetpolen, wenn Einphasenwechselstrom durch die Erregerspule fließt, und eine Rückkopplungswicklung in ausgewählten Nuten (160) und einen Resonanzkreis (220, 221, 222, 228 und 230), der die Rückkopplungswicklung mit der Erregerspule verbindet, aufweist, so daß, indem die Rotation der in Nord- und Südpole magnetisierten Schicht (66) Wechselstrompotentiale sowohl in der Rückkopplungswicklung als auch in der Erregerspule erzeugt, diese Potentiale in ein Einzelphasenwechselstrompotential in der Erregerspule kombiniert sind, was in optimaler Weise die Schicht (66) in ein ausgewähltes Muster der Nord- und Südmagnetpole magnetisiert.