-
Die
Erfindung betrifft allgemein Hochstrommaschinen und im Besonderen
Schleifringbürstensysteme.
-
In
Hochstrommaschinen mit variabler Drehzahl, wie sie in dem Runkle
et al. gemeinsam erteilten
US-Patent
5 742 515 beschrieben sind, werden Rotoren durch elektrisch
leitende Schleifringanordnungen erregt. Herkömmliche Schleifring- und Bürstenvorrichtungen übertragen
Leistung bei niedriger Spannung, maßvollen Stromstärken und
verhältnismäßig hohen
Drehzahlen. Es wäre
von Vorteil, über Vorrichtungen
verfügen
zu können,
die in der Lage sind, auch bei geringen Drehzahlen (von etwa Null (0)
bis ungefähr
Einhundert (100) Umdrehungen pro Minute) mehrere tausend Ampere
zu verkraften. In herkömmlichen
Schleifring- und Bürsten
vorrichtungen kann ein Rotieren mit geringen Drehzahlen zu örtlich begrenzter Überhitzung,
Riefenbildung und Verformung führen.
-
Das
GB-Patent 1 157 885 von
Brown, Boveri & Co.
Ltd. beschreibt eine Technik, die dazu dient, "die Bürsten zu einer Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
zu veranlassen",
indem "eine Einrichtung
verwendet wird, die eine periodische Drehbewegung der Teile der
Maschine hervorbringt, an denen die Bürsten befestigt sind". Um diese Bewegung
zu erzielen, "sind
Bürstenbrücken mit
der Ausgangswelle eines Differentialgetriebes verbunden, das die
Position der Bürsten ändert, und
eine Eingangswelle zu diesem Getriebe ist mit Mitteln zum Verändern der
mittigen Position der Bürstenbrücke ausgerüstet, wobei
eine zweite Eingangswelle zu diesem Getriebe mit Mitteln versehen
ist, die dazu dienen, eine periodisch Vorwärts- und Rückwärtsrotation mit variabler Amplitude hervorzurufen". Auf diese Weise
wird eine azimutale Bewegung erzielt. Die aus dieser Technik sich
ergebende Anordnung lässt
sich bei hohen elektrischen Spannungen nur schwer steuern und betreiben.
-
In "Rotaryg Converters" von Westinghouse Electric & Manufacturing
Co., Rundbrief Nr. 1028, April 1903, ist ein Ausführungsbeispiel
beschrieben, bei dem eine axiale Bewegung zwischen Bürsten und einem
auf einer Rotorwelle angeordneten Kommutator erzielt wird, indem
der gesamte Rotor in einer oszillatorischen Weise axial bewegt wird.
Ein Bewegen der gesamten Rotorwelle ist schwerfällig, kann Schäden hervorrufen,
erfordert einen erheblichen Kraftaufwand und kann die Amplitude
der Bewegung begrenzen.
-
Andere
Nachteile von mit variablen hohen Drehzahlen arbeitenden Maschinen
betreffen die ungleichmäßige Stromverteilung
in den mit den Schleifringen in Kontakt stehenden Bürsten sowie
in den Rotorwicklungsanschlussleitungen, die die Rotorwicklungen
mit den Schleifringen verbinden. Da die Bürsten gewöhnlich über eine einzige gemeinsame elektrische
Anschlussleitung angeschlossen sind, weisen die Bürsten in
Abhängigkeit
von ihrer Nähe
zu der Anschlussleitung unterschiedliche Stromstärken auf. Die Rotorwicklungen
werden außerdem
vor dem Anbringen an den Schleifringen miteinander verschaltet,
und es ergeben sich in ähnlicher
Weise unterschiedliche Stromstärken.
Obwohl die Statoren in manchen Fällen
mittels voneinander unabhängigen Anschlussleitungen
mit stationären
Anschlussringen verbunden sind, wie es in Lawrence, Principles of
Alternating Current Machinery, 4. Ausg., McGraw-Rill Book Co. 1953,
gezeigt ist, werden solche Konfigurationen nicht für Schleifringe
von Maschinen mit gewickeltem Rotor genutzt.
-
Das
US-Patent 3 060 397 beschreibt
eine Anordnung, die Bürsten
oszillierend bewegt, und im Besonderen eine kompakte Bürsten- und
Schleifringeinheit, die die Wirkung der Coulombschen Reibung bewältigt.
-
Das
Patent
DE 9 37 244 beschreibt
einen Mechanismus, der dazu dient, Hochstrommaschinen Strom zuzuführen.
-
Somit
besteht ein Bedarf nach einer zuverlässigen, verlustarmen Schleifringbürstenvorrichtung,
die in der Lage ist, auf effiziente Weise ohne den Einsatz eines
Getriebes einen hohen Strom- und Spannungspegel mit einer niedrigen
Drehzahl in Einklang zu bringen. Es wäre außerdem von Vorteil, über eine
Schleifringbürstenvorrichtung
verfügen
zu können,
die in der Lage ist, den Strom über
die Bürsten
und Schleifringe hinweg gleichmäßig zu verteilen.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Bürste für einen Schleifring mittels
eines elektrischen oder Druckstellglieds betätigt, das als ein Hilfsantrieb
dient, um eine Relativbewegung zwischen der Bürste und dem Schleifring hervorzurufen.
-
Gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Strom mittels Änderungen
der Induktivität
oder durch ein selektives Koppeln von Rotorwicklungen an die Schleifringe
verteilt.
-
Die
Erfindung wird am leichtesten verständlich nach dem Lesen der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren, in denen gleichartige
Bezugszeichen gleichartige Komponenten repräsentieren:
-
1 zeigt
in einer Draufsicht eine Schleifringbürstenvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
2-4 zeigen
Seitenansichten von Schleifringbürstenvorrichtungen
gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
-
5-6 veranschaulichen
in Block- und Funktionsdiagrammen ein Steuerungsverfahren der vorliegenden
Erfindung.
-
7-9 zeigen
in einer geschnittenen Seitenansicht ein Schwingspulenstellglied
und Vorder- und Seitenansichten von Schleifringbürstenvorrichtungen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Schwingspulenstellglieds.
-
10 zeigt
eine Draufsicht einer Schleifringbürstenvorrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
11 und 12 zeigen
Seitenansichten einiger Ausführungsformen
von Induktoren zum Einsatz in dem Ausführungsbeispiel von 10.
-
13 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht einer Anordnung mit Rotorwicklungsanschlussleitungen,
die Rotorwicklungen mit Schleifringen verbinden, gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
14 und 15 zeigen
schematische perspektivische Ansichten von Vorrichtungen mit Rotorwicklungsanschlussleitungen,
die Rotorwicklungen mit Schleifringen verbinden, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
-
16-18 zeigen
Schaltschemata, die einige unterschiedliche Verwirklichungen der
Schaltung für
die erfindungsgemäßen Kopplung
von Schleifringen veranschaulichen.
-
19 und 20 zeigen
ein Schaltschema bzw. eine schematische perspektivische Ansicht
eines Beispiels eines Ausführungsbeispiels
mit einer sechspoligen Wicklung der vorliegenden Erfindung.
-
21 und 22 zeigen
in Seitenansichten zwei Druckstellglieder, die in Ausführungsbeispielen
der in 8 und 9 dargestellten Art verwendet
werden können.
-
1 zeigt
in einer Draufsicht eine Schleifringbürstenvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei wenigstens eine elektrisch leitende
Bürste 14 (mit
einem elektrischen Anschluss 16) wenigstens einem Schleifring 12 Strom
zuführt,
und wobei ein (in 2-3 gezeigtes)
elektrisches Stellglied 22 oder 122 die Stellung
der wenigstens einen Bürste gegenüber dem
wenigstens einen Schleifring oszillierend wechselt. 2-4 zeigen
Seitenansichten von Schleifringbürstenvorrichtungen
gemäß weiteren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
-
Im
Allgemeinen basiert die Bürste 14 auf
einem Material wie Kohlenstoff, und der Schleifring 12 auf
einem Mate rial Wie Messing oder Kupfer. Der Schleifring 12 ist
mit einer Rotorwelle 13 verbunden. Wenn die Rotorwelle 13 sich
sehr langsam in die eine oder andere Richtung dreht oder vollständig angehalten
ist, können
hohe Stromdichten eine lokale Überhitzung
des Schleifrings und/oder der Bürsten
hervorrufen. Im Allgemeinen werden mehrere Bürsten 14 so angeordnet,
dass sie im Wesentlichen den gesamten Umfang des Schleifrings 12 abdecken.
Auch wenn im Falle von mehrere Bürsten
verwendenden Ausführungsbeispielen
die Stromstärke
weniger konzentriert ist, kann der Schleifring dennoch örtlich überhitzt
und beschädigt
werden. Der Einsatz eines elektrischen Stellglieds, um die Bürsten, wie
nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben, azimuthal und/oder axial
oszillierend zu bewegen, ist eine effiziente und vorteilhafte Technik,
um solche Überhitzungen
und Beschädigungen
zu verhindern.
-
Typischerweise
sind mehrere Bürsten
mit einem Tragrahmen 20 verbunden. Wie deutlicher in 2 gezeigt,
kann der Tragrahmen genutzt werden, um Bürstenhalter 15 zu
tragen, die ihrerseits Bürsten positionieren,
die sich in elektrischem Kontakt mit dem Schleifring 12 befinden.
Der Tragrahmen kann aus einem beliebigen strukturell geeigneten
Material hergestellt sein. In einem Ausführungsbeispiel basiert der
Tragrahmen beispielsweise auf einem langlebigen Kunststofflaminat
oder auf Stahl.
-
In
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 1 enthält
das elektrische Stellglied wenigstens einen Induktionsmotor 22,
der einen Stator 24 mit Statorwicklungen 26 aufweist.
Falls der Tragrahmen aus einem geeigneten elektrisch leitenden Werkstoff
hergestellt ist, kann er als die Sekundärseite des Motors 22 dienen.
In einer Abwandlung kann eine Sekundärseite 28, die beispielsweise
aus Kupfer oder Aluminium besteht, mechanisch mit dem Stützring verbunden
sein.
-
Für Zwecke
der Veranschaulichung ist der Motor 22 als ein Bogensegmentinduktionsmotor
dargestellt, und der Stator und die Sekundärseite sind als Bögen gezeigt.
Ein (gelegentlich als gekrümmter Linearmotor
bezeichneter) Bogensegmentmotor genügt, da der Motor 22 keine
vollen Umdrehungen auszuführen
braucht. Der Bogen ist im Allgemeinen im Bereich von dreißig (30)
mechanischen Grad oder weniger bemessen. In einer Abwandlung kann
der Stator und/oder die Sekundärseite,
falls gewünscht, als
ein vollständiger
Zylinder ausgebildet sein. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Sekundärseite ein
an dem Stützring
angebrachtes Stahljoch 30 und eine an dem Stahljoch angebrachte
Aluminiumschiene 32.
-
Ein
(durch eine Wechselrichtersteuerung 38 gesteuerter) Wechselrichter 36 kann
verwendet werden, um den Induktionsmotor zu betreiben. In einem Ausführungsbeispiel
ist ein Hochspannungstrenntransformator 34 elektrisch zwischen
den Wechselrichter und den Induktionsmotor 22 geschaltet,
um zu erlauben, dass an den Bürsten
eine Hochspannung anliegt, während
zwischen dem Stator und der Sekundärseite ein schmaler Spalt aufrecht
erhalten wird. In einigen Ausführungsbeispielen
ist der Hochspannungstrenntransformator nicht erforderlich. Beispielsweise
kann, wie in 3 gezeigt, ein Bereitstellen
einer Isolierung 129 zwischen der Sekundärseite und
dem Stator des Motors 22 oder das Vorsehen eines ausreichenden
Raums 229 zwischen dem Stator 124 und der Sekundärseite 128 des
Motors 122 unter Inkaufnahme eines größeren und weniger effizienten Stellglieds
die Gefahr eines Massekurzschlusses verhindern.
-
Jeder
Induktionsmotor kann verwendet werden, um eine azimutale und/oder
axiale Bewegung des Tragrahmens hervorzurufen. Beispielsweise kann
der Motor 22 nach 1-3 genutzt
werden, um eine azimutale Bewegung zu erzeugen. Der Motor 122 nach 2-3 wird
um etwa neunzig Grad gegenüber
dem Motor 22 gedreht, um eine axiale Bewegung hervorzubringen.
In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 4 wird der Motor 222 um etwa fünfundvierzig
Grad gedreht, um gleichzeitig eine azimutale und eine axiale Bewegung
hervorzubringen. Mehrere Motoren können um einen einzelnen Schleifring
herum eingesetzt werden, um verschiedene Arten von Bewegung und/oder ein
Gleichgewicht zu bewirken. Im Falle der Verwendung mehrerer Motoren
ist es von Vorteil, die Motoren im Wesentlichen symmetrisch um den
Tragrahmen zu positionieren. Ein symmetrisches Positionieren ist
insbesondere für
eine axiale Bewegung sinnvoll, um den Ring gleichmäßig aufwärts und
abwärts zu
bewegen, während
ein Kippen des Rings weitgehend verhindert ist.
-
5-6 veranschaulichen
in Block- und Funktionsdiagrammen ein Steuerungsverfahren der vorliegenden
Erfindung. Der Wechselrichter 36 kann ein schalterloses
Oszillieren, eine einstellbare Geschwindigkeit und eine einstellbare
Amplitude ermöglichen.
Der Betrieb des Bürstenbewegungssystems
kann in diesem Fall geregelt werden, indem die Motordrehzahl mit
einem Drehzahlsensor 78, beispielsweise einem Tachometer,
ermittelt wird, und die Motordrehzahl dazu eingesetzt wird, um die
Bürstenrelativgeschwindigkeit,
die zur Schadensverhinderung erforderlich ist, auf ein minimales
Maß zu
reduzieren, und dadurch den Verschleiß und die Koh lenstoffstaubbildung
zu minimieren. 6 repräsentiert eine exemplarische
Funktion, die in der Wechselrichtersteuerung 38 von 5 enthalten
sein kann, wobei der Büstengeschwindigkeitsbefehl
bei geringen Rotordrehzahlen den größten Wert ausweist, während bei
oder jenseits einer vorgegebenen Grenze der Rotordrehzahl der Wert
des Büstengeschwindigkeitsbefehls
gleich Null ist.
-
Weiter
können
die Bürsten
selbst optional in einem geordneten oder zufälligen Muster axial versetzt
sein (nicht gezeigt), so dass die Erwärmung und Abnutzung auf eine
größere Fläche verteilt
werden, wie in Hayes, Current-Collecting Brushes in Electrical Machines,
ff. 124-127, Sir Isaac Pitman & Sons,
Ltd., 1947, beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel variieren Bürstenpositionen
periodisch in einigen gleichmäßig beabstandeten
Perioden des Umfangs, um im Falle der Verwendung das kompensierte
Ausführungsbeispiels
von 13 die Anzahl von Spuren auf ein Minimum zu reduzieren.
-
7-9 zeigen
in einer geschnittenen Seitenansicht ein Schwingspulenstellglied 44 und Vorder-
und Seitenansichten von Schleifringbürstenvorrichtungen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, wobei das Schwingspulenstellglied mechanisch
mit dem Tragrahmen 20 verbunden ist. Die Ausführungsbeispiele
und Optionen nach 7-9 ähneln jenen
nach 1-4 mit dem Unterschied, dass
für Ausführungsbeispiele,
bei denen eine kleinere Amplitude der Bewegung oder eine höhere Frequenz
der Oszillation gewünscht
ist, ein Schwingspulenstellglied geeigneter ist. Es wird erwartet,
dass ein Schwingspulenstellglied eine (azimutale oder axiale) Amplitude von
einigen Millimetern bei einer Frequenz in der Größenordnung zweistelliger Hz-Werte
bereitstellen wird, wohingegen ein Motor eine Amplitude von einigen
Zentimetern oder mehr mit einer Frequenz von etwa einem Hz oder
darunter ermöglicht.
-
Es
existieren viele Arten von Schwingspulenstellgliedern. Eine Bauart
ist für
Zwecke der Veranschaulichung in 7 gezeigt.
In 7 ist ein Magnetkern 52 von einem Magnetjoch 50 umgeben,
wobei zwischen diesen auf der einen Seite Permanentmagnete 54 angeordnet
sind. Zwischen dem Kern und dem Joch ist ein (mit elektrisch leitenden
Wicklungen 56 ausgestatteter) Topf 58 angeordnet,
der auf der anderen Seite mit einem Arm 46 verbunden ist.
Typische Werkstoffen sind beispielsweise magnetischer Stahl für den Kern,
magnetischer Stahl für
das Joch und Kunststoff oder ein sonstiger nicht magnetischer Werkstoff
für den
Topf. Den Wicklungen 56 zwischen dem Topf und dem Joch
wird Strom zugeführt,
um den Topf und dementsprechend den Arm oszillierend zu bewegen.
In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 8 übt
der Arm 46 Druck auf eine Verlängerung 48 des Tragrahmens 20 aus.
Falls der Arm senkrecht auf den Tragrahmen drückt, wird die Bewegung im Wesentlichen
azimutal sein. Falls die mechanischen Bewegungen unter einem Winkel
verlaufen, kann eine axiale und azimutale Bewegung erzeugt werden.
Die Verlängerung 48 ist
für Zwecke
der Veranschaulichung gezeigt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Betätigung ist
in 9 gezeigt, wo die Arme 46 eine mechanische
Bewegung unmittelbar an dem Tragrahmen hervorrufen, so dass axiale
Hin- und Herbewegungen erzeugt werden.
-
10 zeigt
eine Draufsicht einer Schleifringbürstenvorrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und 11 und 12 sind
Seitenan sichten einiger Ausführungsformen
von Induktoren für
die Verwendung in dem Ausführungsbeispiel
von 10. In Erregerstufen, die Gleichspannungen oder
Wechselspannungen sehr geringer Frequenz verwenden, ist eine Ungleichgewichtigkeit
des Stroms lediglich auf Unterschiede des elektrischen Widerstands
zwischen den Bürsten
und den elektrischen Verbindungen zurückzuführen. In Zeilenfrequenzsystemen
verschlimmern Änderungen
der Gegen- und Selbstinduktivität
die Ungleichgewichtigkeiten des Stroms und dominieren die Stromverteilung.
-
Das
Ausführungsbeispiel
nach 10-12 enthält wenigstens einen elektrisch leitenden
Schleifring 12 und mehrere elektrisch leitende Bürsten 14,
die dazu diene, dem wenigstens einen Schleifring Strom zuzuführen. Jede
der elektrisch leitenden Bürsten
ist über
eine elektrische Verbindung 16 durch ein gemeinsames elektrisches
Verbindungsglied 17 mit benachbarten elektrisch leitenden
Bürsten
verbunden, wobei wenigstens eine elektrische Anschlussleitung 18 mit
dem gemeinsamen elektrischen Verbindungsglied verbunden sind.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
sind mehrere mit 60-67 bezeichnete Induktoren
jeweils auf einer entsprechenden der elektrischen Verbindungen angeordnet,
wobei mindestens einer der Induktoren 60 näher an der
elektrischen Anschlussleitung angeordnet ist und eine höhere Induktivität aufweist
als mindestens einer der übrigen
der Induktoren, die von der wenigstens einen elektrischen Anschlussleitung
entfernter angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen ist auf jeder
der elektrischen Verbindungen ein Induktor vorhanden. In Abwandlungen
weisen in einigen Ausführungsbeispielen
Bürsten,
die weiter weg von der wenigstens einen elektrischen Anschlussleitung
angeordnet sind, möglicherweise
keine daran gekoppelte Induktoren auf. Falls, wie nachstehend anhand 13 beschrieben,
mehrere Anschlussleitungen verwendet werden, weisen beispielsweise
näher an
den Anschlussleitungen angeordnete Bürsten höhere Induktivitäten auf
als Bürsten,
die von den Anschlussleitungen entfernter angeordnet sind. Falls
jeder Induktor auf einem Induktor mit einstellbarer variabler Induktivität basiert,
kann die Stromverteilung feinabgestimmt werden.
-
In
einem Ausführungsbeispiel,
wie es in 11 gezeigt ist, enthält jeder
Induktor einen Spulenkörper
(Isolator) 70, eine auf den Spulenkörper gewickelte Wicklung 74 und
einen hinsichtlich der Position einstellbaren Magnetkern 72,
der beispielsweise auf Eisen basiert. Um die Leistung bei den auf der
Leitung vorhandenen Frequenzen zu verbessern, kann der Kern 72 beispielsweise
auf laminierten oder pulverisierten Eisen basieren. Eine Stellschraube 73 kann
dazu dienen, die Position des Kerns zu fixieren, wenn der Abgleich
erreicht ist.
-
In
noch einem Ausführungsbeispiel,
wie es in 12 gezeigt ist, kann jeder Induktor
automatisch für
unterschiedliche Rotorstellungen angepasst werden, indem ein Schwingspulenstellglied 144 mit
einen Arm 146 verwendet wird, um den Magnetkern 72 in
einen Tauchkolbeninduktorkörper 70 hinein
und heraus zu bewegen. Die durch die einzelne Bürsten fließenden Ströme können mit (nicht gezeigten) Stromsensoren
gemessen werden und dazu dienen, die Kernposition, und folglich
die Induktivität,
durch Schwingspulenstellglieder zu steuern. Dieses Ausführungsbeispiel
kann einen Regelkreisbetrieb vorsehen, der Änderungen von Selbst- und Gegeninduktivitäten kompensiert,
während
sich die Rotorstellung ändert.
-
In
einem abgewandelten Ausführungsbeispiel,
sind keine Induktoren variabler Induktivität enthalten. Die Stromverteilung
in den Bürsten
hängt von Selbst-
und Gegeninduktivitäten
sämtlicher
Leiter ab, die sich auf Pfad des durch den Schleifring fließenden Stroms
befinden. Für
eine vorgegebene Rotorstellung wird die Verteilung unterschiedlicher
Induktivitäten
um den Umfang des Verteilerrings 16 eine gleichmäßige Verteilung
des Stroms auf die Bürsten 14 erreichen.
Falls die Rotorstellung sich ändert, müssen die
Induktivitäten
möglicherweise
angepasst werden, um eine strenge Stromwaage aufrecht zu erhalten,
was es erschwert, sämtliche
unterschiedlichen Rotorstellungen zu kompensieren, ohne das oben
anhand von 12 erörterte Ausführungsbeispiel zu verwenden.
Allerdings lässt
sich die Stromaufteilung verbessern, indem die Selbstinduktivitäten der
radialen Strompfade durch Einfügen
der Induktoren 60-67 in die radialen Strompfade
um wenigstens eine Größenordnung
erhöht
wird. Eine derartige Verwendung der Induktoren bewirkt, dass die
Selbstinduktivitäten
die Stromverteilung dominieren und somit den Einfluss sowohl der
Gegeninduktivitäten
als auch der Selbstinduktivitäten
der durch die elektrischen Verbindungen 16 verlaufenden
peripheren Strompfade reduzieren. Da die Induktoren 60-67 in den
radialen Strompfaden angeordnet sind, sind sie parallel geschaltet.
Die Induktivitäten
können
sämtliche
so hergestellt sein, dass sie im Wesentlichen übereinstimmen und einen größeren (und
zur Bewirkung der Dominanz der Selbstinduktivitäten ausreichenden) Wert aufweisen
als in den peripheren Strompfaden. Folglich können Induktoren mit einem im
Wesentli chen abereinstimmenden Wert verwendet werden, um eine von
der Rotorstellung unabhängige
Stromaufteilung zu erreichen.
-
13 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Anordnung mit
Rotorwicklungsanschlussleitungen, die Rotorwicklungen mit Schleifringen
verbinden, gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 14 und 15 zeigen
schematische perspektivische Ansichten von Vorrichtungen mit Rotorwicklungsanschlussleitungen,
die Rotorwicklungen mit Schleifringen verbinden, gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung; und 16-18 veranschaulichen
Schaltschemata mehrerer unterschiedlicher Verwirklichungen einer
Verschaltung des Schleifringanschlusses der vorliegenden Erfindung.
-
In
diesen Ausführungsbeispielen
gehören
zu jeder Anordnung: eine (wie in 1 gezeigte)
Rotorwelle 13; ein mit der Rotorwelle verbundener Rotor 40;
mehrere Rotorwicklungsabschnitte oder Phasengürtel 41, die jeweils
entsprechende (in 16 schematisch dargestellte)
durch den Rotor hindurch gewickelte Rotorwicklungen 42 aufweisen;
mehrere an die Rotorwelle gekoppelte elektrisch leitende Schleifringe;
und Rotorwicklungsanschlussleitungen 43, die die Rotorwicklungen
mit den Schleifringen verbinden, wobei zumindest ein Teil der Rotorwicklungsanschlussleitungen
mit entsprechenden der Schleifringe unmittelbar verbunden sind.
Herkömmliche
Ausführungsbeispiele
weisen einzelne Pole auf, die für jede
aus der Rotorwicklung kommenden Phase mit der Kombination verbunden
sind, die dem Schleifring zugeführt
wird. In den in 13-18 gezeigten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil der Rotorwicklungsanschlussleitungen,
anstatt mit einer anderen Rotorwicklungsanschlussleitung verbunden
zu sein, unmittel bar mit den Schleifringen verbunden, um gemeinsam
mit den Schleifringen verbunden zu werden.
-
In
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 13 verbindet beispielsweise jede Rotorwicklungsanschlussleitung 43 jede
Rotorwicklung unmittelbar mit einem entsprechenden der Schleifringe 112, 212 oder 312,
und mehrere Rotorwicklungsanschlussleitungen sind mit jedem der
Schleifringe verbunden. In einem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen
an im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten
Positionen angeschlossen, indem, falls erforderlich, die Position
wenigstens einer der Anschlüsse,
wie schematisch durch die gestrichelte Linie 143 gezeigt,
eingestellt wird, die eine abgewandelte Verbindung der Rotorwicklungsanschlussleitung
mit dem Schleifring 312 darstellt.
-
Zur
Vereinfachung der Darstellung ist in 13 ein
in Sternschaltung/Y-Schaltung (Y) angeschlossener zweipoliger Rotor
gezeigt. Der Wicklungsbereich der Phase A1 für den ersten Pol ist unmittelbar
mit dem Schleifring 112 verbunden, und der Wicklungsbereich
der Phase A2 für
den zweiten Pol ist zusätzlich
unmittelbar mit dem Schleifring 112 verbunden. Durch eine
im Wesentlichen gleichmäßige Beabstandung
zwischen den Verbindungen zu dem Schleifring wird der Strom äußerst effizient
aufgeteilt/verteilt, und aufgrund unterschiedlicher Pfade und Induktivitäten auftretende
Unterschiede des Bürstenstroms
werden auf ein Minimum reduziert. Die Wicklungen der Phase B1, B2,
C1, C2 sind desgleichen jeweils mit den Schleifringen 212 bzw. 312 verbunden.
-
Diese
Verbindungen können
zweckmäßigerweise
durch den Einsatz moderner Hochspannungskabel verwirklicht werden,
so dass die einzelnen Schaltkreise gut isoliert sind, und Flexibilität in den Anordnungen
vorhanden ist. Insbesondere ist es möglicherweise nicht erforderlich,
die Schleifringe in unmittelbare Nähe eines Motors/Konverters
anzuordnen, falls der Schleifring in sonstiger Weise für eine Wartung
besser zugänglich
ist. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsbeispielen ein (nicht
gezeigter) Drehmoment-(Leistungsfluss)-Steuerungsrotor mit einem
Motorkonverterrotor verbunden, wobei die Schleifringe in Nähe des Motorkonverterrotors
angeschlossen sind. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung kann der Drehmomentsteuerungsrotor zwischen dem Motorkonverterrotor
und den Schleifringen positioniert sein, und die Rotorwicklungsanschlussleitungen
können
durch (nicht gezeigte) Speichenzwischenräume, Kühllöcher oder eigens ausgebildete Öffnungen
in dem Drehmomentsteuerungsrotor hindurchgeführt sein.
-
Das
Ausführungsbeispiel
von 13 veranschaulicht ferner auf Rotorwicklungsanschlussleitungen 43 angeordnete
Induktoren 76. Diese Induktoren können, in ähnlicher Weise wie im Zusammenhang mit
den Induktoren 60-67 von 10 erörtert, genutzt
werden, um kleine Induktivitätsdifferenzen
zu kompensieren, die Ungleichgewichtigkeiten der Stromverteilung
hervorrufen.
-
In
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 14 basiert zumindest ein Teil der Rotorschleifringe 112, 212 und 312 auf
segmentierten Rotorschleifringen. In diesem Ausführungsbeispiel ist jede Rotorwicklungsanschlussleitung 43 für sich mit einem
entsprechenden Schleifringsegment 412, 512, 612, 712, 812 oder 912 verbunden,
und der Strom verbleibt in dem entsprechenden Schleifringsegment,
um eine gleichmäßigere Stromverteilung
zu fördern.
Die Schleifringe können
durch physikalische Trennung in Segmente unterteilt sein, zwischen
denen sich Luft oder ein Isoliermaterial befindet.
-
In
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 15 verbindet jede Rotorwicklungsanschlussleitung 43 jede
Rotorwicklung unmittelbar mit jeweils einem eindeutigen der Schleifringe,
wie beispielsweise für
Zwecke der Veranschaulichung bezeichnet mit 1012 oder 1112 gezeigt.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind lediglich die Schleifringe der
Phase A gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel löst zwar
nicht das Problem der peripheren Stromaufteilung, ist jedoch ein
Ausführungsbeispiel,
das die Kühlung
erleichtert und weniger anfällig
für Überhitzung
ist.
-
16-18 veranschaulichen
in Schaltschemata mehrere unterschiedliche Schaltungsverwirklichungen
für den
Schleifringanschluss der vorliegenden Erfindung. Die Darstellungen
sind für
Zwecke der Veranschaulichung als Y-Schaltungen gezeigt. Es existieren viele
abgewandelte Ausführungsbeispiele
einer Verschaltung, darunter auch solche für (nicht gezeigte) Anordnungen,
die nur einen Stromkreis pro Phase verwenden. Beispielsweise ist jede
Phase gewöhnlich
mit einem gesonderten Schleifring verbunden. Die Phasennullleiter
können miteinander
und optional zusätzlich
mit einem vierten Schleifring verbunden sein. In einer Abwandlung können sämtliche
Phasennullleiter jeweils mit individuellen Schleifringen verbunden
sein (für
eine Gesamtanzahl von sechs Schleifringen).
-
16-17 repräsentieren
Ausführungsbeispiele
mit zwei parallelen Stromkreisen pro Phase. 16 zeigt
ein Dreiphasen-Schaltschema für das
Ausführungsbeispiel
von
-
13,
wobei jede der von einem ersten Pol ausgehenden Rotorwicklungsanschlussleitungen
gemeinsam mit ihrer von dem zweiten Pol ausgehenden entsprechenden
Phase mit einem Schleifring verbunden ist, und die Nullleiter miteinander
verbunden sind. 17 kann verwendet werden, um
ein Diagramm entweder für
das Ausführungsbeispiel
von 14 oder für
das Ausführungsbeispiel
von 15 darzustellen, wobei jeder Pol mit einem gesonderten Schleifring
oder Schleifringsegment verbunden ist. In abgewandelten verwandten
Ausführungsbeispielen können die
Nullleiter zu gesonderten Schleifringen oder zu einem gemeinsam
verwendeten Schleifring heraus geführt sein.
-
Eine
vierpolige Maschine mit vier Schaltkreisen pro Phase kann in einer ähnlichen
Weise, wie anhand von 16 und 17 beschrieben,
parallel verschaltet sein. In einer Abwandlung können, wie in 18 gezeigt
(wo für
Zwecke der Veranschaulichung lediglich eine einzige Phase dargestellt
ist), zwei Paare (A1 und A2,
A3 und A4) Pole
miteinander verbunden sein, wobei jedes Paar (über A1 und
A4) separat mit einem Schleifring für jede Phase
verbunden ist. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen der
beispielhaften Veranschaulichung, und es können je nach Wunsch andere
mehrpolige Y- und Delta-(Δ)-Anordnungen
verwendet werden.
-
19 und 20 zeigen
ein Schaltschema und eine schematische perspektivische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einer sechspoligen Wicklung. In diesem Ausführungsbeispiel
weist eine Dreiphasenmaschine sechs Pole auf, wobei pro Pol und
Phase zwei Spalte vorhanden sind, was insgesamt 36 Spalte ergibt.
Für Zwecke
der Veranschaulichung sind sechs Spalte pro Pol vorhanden, die mit
einem Pitch von 5/6 gewickelt sind. Die Pole sind über Polanschlüsse 243 paarweise
verbunden, woraus sich, wie in 19 gezeigt,
eine Maschine mit drei Stromkreisen ergibt. Jeder Phasengürtel ist
durch Rotorwicklungsbereiche 341 repräsentiert. Beispielsweise ist
eine zweischichtige überlappte
Wicklung mit inneren Wicklungsbereichen (Spaltunterseite) 141 und äußere Wicklungsbereichen
(Spaltoberseite) 241 gezeigt. Die sich ergebenden drei
Schaltkreise sind für
Zwecke der Veranschaulichung beispielsweise in einer Sternschaltung (Y-Schaltung)
verbunden. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 20 sind Rotorwicklungsanschlussleitungen 43 gleichmäßig beabstandet
und können
den Schleifringen 112, 212 und 312 als
im Wesentlichen gleichmäßig beabstandete Anschlüsse ohne
die im Zusammenhang mit 13 erörterten
Einstellungen unmittelbar zugeführt
werden.
-
21 und 22 zeigen
Seitenansichten von zwei Druckstellgliedern, die in Ausführungsbeispielen
verwendet werden können,
die jenen ähneln, die
anhand der Schwingspulenstellglieder nach 8 und 9 beschrieben
sind. In diesen Ausführungsbeispielen
wird wenigstens ein Druckstellglied 244 nach 21 oder 344 nach 22 verwendet, um
die Position wenigstens einer Bürste 14 (8) gegenüber wenigstens
einem Schleifring 12 (8) oszillierend
zu bewegen. Wie im Zusammenhang mit 9 erörtert, können ein
oder mehrere Stellglieder um einen Bürstentragrahmen 20 (8)
positioniert sein, und ein oder mehrere Stellglieder können ausgerichtet
werden, um eine azimutale und/oder axiale Bewegung hervorzurufen.
-
21 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines Druckstellglieds, das auf einem hydraulischen Stellglied mit
einem Fluidschlauch 80 basiert, der dazu dient, einem Stellzylinder 83 durch
einen Abschlussdeckel 82 hindurch ein Fluid 81 zuzuführen, wobei
das Fluid Druck auf einen Kolben 84 ausübt, der mit einer Feder 85 verbunden
ist, die an einem Abschlussdeckel oder Federsitz 86 befestigt
ist. Ein Arm 246 ist mit dem Kolben 84 verbunden.
Die Position des Arms 246 wird durch den von dem Fluid ausgeübten Druck
und durch die Kraft der Feder gesteuert. Der Arm 246 kann,
wie in 8 und 9 gezeigt, mit einem Tragrahmen
verbunden sein. Der Fluiddruck lässt
sich durch Elektronik geeignet steuern, so dass, wie anhand von 5 und 6 beschrieben,
eine gewünscht
Oszillationsfrequenz entsteht.
-
22 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines Druckstellglieds, das auf einem pneumatischen Stellglied basiert,
zu dem Luftschläuche 180 und 280 zum
Zuführen
von Luft 181 und 281, ein Stellzylinder 183,
ein mit einem Arm 346 verbundener Kolben 184 und
Abschlussdeckel 182 und 282 gehören, die
das Eintreten von Luft in den Zylinder erlauben und dem Kolben als
Begrenzungsanschläge
dienen. Die Position des Arms 346 wird durch das über die
Luftschläuche
erzeugte Druckverhältnis
gesteuert. Der Arm 346 kann, wie in 8 und 9 gezeigt,
mit einem Tragrahmen verbunden sein. Der Druck der Luft lässt sich
mittels Elektronik geeignet steuern, so dass, wie gemäß 5 und 6 beschrieben,
eine gewünschte
Oszillationsfrequenz entsteht. Darüber hinaus können die
Luftschläuche genutzt
werden, um eine Hochspannungsisolierung vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel
sind die Luftschläuche
aus einem nicht metallischen Elastomermaterial hergestellt.