DE615750C - Synchrone Wechselstrommaschine fuer niedrige und fuer veraenderliche Betriebsdrehzahlen - Google Patents

Description

Bei Erzeugung elektrischer Energie mittels solcher Kraftquellen, die für die Kraftmaschine nur verhältnismäßig niedrige Drehzahlen ergeben, ist man entweder auf die Verwendung unmittelbar gekuppelter, langsam laufender Generatoren oder auf die Zwischenschaltung _von Übersetzungsgetrieben angewiesen. Beide Lösungen führen zu einer Verteuerung der Stromerzeugungskosten. Wenn die Energiequelle eine verhältnismäßig große Ungleichmäßigkeit aufweist (beispielsweise Wind, Wasser), so sinkt die Energieausbeute wegen der Notwendigkeit der Konstanthaltung der Drehzahlen des elektrischen Teiles, d. h. wegen der Unmöglichkeit der Anpassung der Drehzahl an die Ungleichmäßigkeit der Energiequelle.

In sinngemäßer Umkehrung ergeben sich ähnliche Schwierigkeiten, wenn eine elektrische Maschine zum Antrieb von Arbeitsmaschinen verwendet wird, deren Drehzahl verhältnismäßig niedrig ist oder stark schwankt, wie dies beispielsweise für Kreiselpumpen mit stark schwankender Förderhöhe der Fall ist.

Die vorliegende Erfindung gibt Mittel an, mittels deren auch bei sehr niedrigen und veränderlichen Antriebsdrehzahlen unmittelbar gekuppelte Generatoren synchronen Charakters verwendet werden können, deren elektrische Ausrüstung in den wesentlichen Teilen für höhere Drehzahlen ausgelegt ist und die im Bedarfsfalle eine Anpassung der Drehzahl an die Ungleichmäßigkeit der Energiequelle ermöglichen.

Es sind Wechselstrommaschinen bekanntgeworden, die den Zusammenbau mit schnelllaufenden Antriebsmaschinen ermöglichen sollen und zu diesem Zweck mit einem Kurzschlußläufer ausgestattet sind. Sie weichen dadurch wesentlich vom Aufbau der im fölgenden beschriebenen Maschine ab und bieten auch keine Möglichkeit, bei welchsehider Drehzahl eine gleichbleibende Frequenz zu erzeugen.

Es sind auch Maschinen bekanntgeworden, bei denen der Ständer entgegengesetzt dem Läufer sich dreht, so daß, wenn beide Teile mit gleichler Drehzahl angetrieben werden, die erzeugte Frequenz doppelt so gnoß ist wie bei !einer Anordnung, bei der unter sonst gleichen Verhältnissen nur der Läufer sich dreht.

Eine derartige Lösung ergibt zwar eine Verminderung der Polzahl und des Gewichtes der umlaufenden Teile, kleine Abmessungen der Maschine sowie größere Sicherheit hinsichtlich der Zentrifugalkraftwirkungen der in Bewegung befindlichen Massen, die Aufbauelemente solcher Konstruktionen unterscheiden sich im übrigen aber nicht von bereits Bekanntem. Nachteilig ist dabei die Notwendigkeit, die ganze Leistung über Schleifringie abzuleiten. Irgendwelche Anpassung an veränderliche Antriebsdrehzahlen ist nicht möglich.

! Demgegenüber ergibt sich der Aufbau dei

Erfindungsgegenstandes wie folgt:

Das vom Polrad erzeugte Feld wirkt nicht unmittelbar auf die Ständerwicklung, sondern zwischen beide ist ein neues Element ge schaltet, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Das Polrad P der Erregermaschine induziert in der Wicklung de: Ankers A der Erregermaschine Spannung und ίο Strom. Der Ankert und das MagnetfeldM der Hauptmaschine sind auf der Generatorwelle nebeneinander, aber getrennt angeordnet und durch die Welle starr miteinander verbunden. Die Ankerwicklung der Erregermaschine besteht aus Einzelspulen und ist in so viele Gruppen mit je χ Spulen eingeteilt, als Einzelpole auf dem Polrad angeordnet sind. Dem Schema liegt ein Polrad mit drei Polpaaren zugrunde. Demzufolge ist die Ankerwicklung in sechs Gruppen eingeteilt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind im Schema für jede Gruppe nur sechs Spulen und für jede Spule zwei Nuten vorgesehen. Je höher die Spulenzahl ist, desto mehr gleichen die nach M übertragenen Pole den induzierenden Polen von A. Zwischen der Ankerwicklung der Erregermaschine und dem Magnetfeld der Hauptmaschine sind ebenso viele Sammelschienenpaare S angeordnet, als Spulen in einer Gruppe sind, und es sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, die Enden der Spulen so mit den Sammelschienen verbunden, daß jeweils alle im selben Induktionszustand befindlichen Spulen auf eine Sammelschiene gehen. Mit diesen Sammelschienen verbunden sind nun die Spulen, die zur Erregung des Magnetfeldes der Hauptmaschine dienen. Im gezeichneten Beispiel weist das Magnetfeld der Hauptmaschine nur ein PoI-paar auf; indessen wäre auch jede andere Polpaarzahl ausführbar, d. h. die Polzahl des Magnetfeldes der Hauptmaschine kann gleich oder kleiner oder größer sein als die Polzahl des Polrades A. Erfindungsgemäß ist nun die Aneinanderreihung der Spulen auf dem Magnetfeld der Hauptmaschine entgegengesetzt der Anordnung der Spulen auf dem Anker der Erregermaschine (inverse Wicklung). Unter der Voraussetzung zunächst gleicher Polzahl in P und M entspricht bei stillstehendem PolradP jedem Dreh winkel des Ankers A infolge der inversen Wicklung der doppelte· Drehwinkel des Magnetfeldes. M der Hauptmaschine; FeIdAf und Anker A haben gleichen Drehsinn. Bei feststehendem Anker A entspricht jedem Drehwinkel des Polrades P derselbe Drehwinkel des Magnetfeldes M der Hauptmaschine, aber mit einem dem Polrad entgegengesetzten Drehsinn. Wenn also beispielsweise Anker und Poliad mit gleicher, aber entgegengesetzter Geschwindigkeit sich drehen, so würde bei gleicher Polzahl auf P und M das Magnetfeld .Λί der Hauptmaschine sich dreimal so rasch drehen als die WeEe der Hauptmaschine, und zwar im Drehsinn dieser Welle.

Wenn gleichzeitig wie in dem gezeichneten Beispiel die Polzahlen verschieden ausgeführt werden, so ändert sich die Geschwindigkeit des Drehfeldes M noch umgekehrt proportional dem Polzahlverhältnis zwischen A und M. Daraus; folgt für das dargestellte B eispiel:

1. bei feststehendem Polrad P und Drehung von A ist die Drehzahl von M sechsmal so groß wie die Drehzahl von A;

2. bei gleichzeitiger und gleich rascher, aber entgegengesetzter Drehung von P und A wird die Drehzahl von M neunmal so groß wie die Drehzahl von A bzw. von P.

Wenn es sich also nur darum handelt, eine Maschine für niedrige, aber gleichbleibende Antriebsdrehzahl zu bauen, so kann man aus Gründen der Einfachheit P stillstehen lassen, die Wicklung zwischen A und M invers anordnen und erhält bei Wahl eines geeigneten Polzahlverhältnisses zwischen A und M eine verhältnismäßig kleine Hauptmaschine. Die für P sich ergebende Polpaarzahl kann erforderlichenfalls geändert werden durch Antrieb von P im gleichen oder entgegengesetzten Drehsinn von A. Dieser Antrieb kann durch eine beliebige Kraftquelle erfolgen; er kann auch von der Welle der Hauptmaschine abgeleitet werden. Wenn dieser Antrieb über ein Getriebe mit veränderlichem, aber fest einstellbarem Übersetzungsverhältnis erfolgt, so ergibt die Konstruktion eine synchrone Wechselstrommaschine mit veränderlicher Drehzahl; denn jede Änderung der Drehzahl von A läßt sich vermittels der Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes, also durch Änderung der Drehzahl von P, so ausgleichen, daß das FeId-M im Synchronismus mit dem Statorfeld umläuft. Umgekehrt kann jede beliebige Drehzahl von A durch Änderung der Drehzahl von P eingestellt werden. Wie auch der Antrieb des Polrades erfolgen mag, so wird immer die einmal synchronisierte Maschine synchron weiterlaufen, genau so wie jede normal gebaute synchrone Wechselstrommaschine; sie ist sowohl als Generator als auch als Motor in beiden. Drehrichtungen verwendbar. Der Antrieb des Polrades der Erregermaschine, soweit ein solcher vorhanden ist, muß in diesem Falle umkehrbar gemacht werden. Wenn das Übersetzungsgetriebe, das zwischen dem Polrad und seiner Antriebsmaschine einjebaut ist, mit so großer Veränderbarkeit aus- ;erüstet wird, daß bei stillstehendem Anker A das in M erzeugte Drehfeld mit dem Stator-

feld synchron läuft, so kann nach erfolgter Parallelschaltung die Maschine als Motor ohne Stromstoß in beiden Drehrichtungen dadurch in Gang gebracht werden, daß durch erzwungenes Nacheilen des Feldes M gegenüber dem Ständerdrehfeld der Läufer in Drehung versetzt wird.

Dieses Nacheilen kann durch entsprechende Verstellung der Antiiebsglieder des Polrades P₁

ίο beispielsweise durch Axialverschiebung eines schräg geschnittenen Zahnrades, erzwungen werden. Durch Regelung der veränderlichen Übersetzung kann dann die gewünschte Drehzahl eingestellt werden.

Die Pole/³ brauchen nicht notwendig durch Gleichstrom; erregt zu werden; das Drehfeld des Polrades P kann ebensogut als Wechselstromdrehfeld ausgebildet sein, nur müssen gegebenenfalls Vorkehrungen getroffen werden, die es ermöglichen, die Drehzahl des Drehfeldes den diesbezüglichen Erfordernissen der Hauptmaschine anzupassen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   r. Synchrone Wechselstrommaschine für niedrige und für veränderliche Betriebsdrehzahlen, deren mechanische Drehzahl verschieden ist von der Synchrondrehzahl ihrer Magnet- und Ankerfelder, bei der also das Magnetfeld in der Umfangsrichtung auf dem Magnetrad relativ zu diesem wandert und bei welcher der Anker der Erregermaschine in fester Verbindung steht mit dem etwa neben ihm angeordneten Magnetrad der Hauptmaschine, derart, daß die Spulen des Erregerankers gleichzeitig Spulen des Magnetrades der Hauptmaschine sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spulen oder eine Mehrzahl von parallel oder in Reihe geschalteter gleichartig erregter Spulen des Ankers der Erregermaschine mit entsprechenden Spulen oder einer Mehrzahl von parallel oder in Reihe geschalteter Spulen der Magnetfeldwicklung so verbunden sind, daß auf dem Umfang die Aufeinanderfolge der Spulen der Magnetfeldwicklung der Hauptmaschine und die Aufeinanderfolge entsprechender Spulen dös Ankers der Erregermaschine entgegengesetzte Richtung haben.
2. 2. Synchrone Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad der Erregermaschine stillsteht und mit derjenigen Polzahl ausgerüstet ist, die unter Berücksichtigung der Drehzahl des Magnetfeldes der Hauptmaschine (welche das Doppelte der Ankerdrehzahl beträgt) durch die Netzfrequenz bedingt ist. ·
3. 3. Synchrone Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad der Erregermaschine von der Generatorwelle aus zwangsläufig angetrieben wird und mit derjenigen Polzahl ausgerüstet ist, die bei der Summe aus doppelter Ankerdrehzahl und einfacher Polraddrehzahl durch die Netzfrequenz bedingt ist.
4. 4. Synchrone Wechselstrommaschine nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad der Erregermaschine von der Generatorwelle aus mittels eines veränderlichen, aber fest einstellbaren Übersetzungsgetriebes angetrieben wird.
5. 5. Synchrone Wechselstrommaschine nach den Ansprüchen' 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderbarkeit des Übersetzungsgetriebes im Antrieb des Polrades der Erregermaschine so groß ist, daß auch bei stillstehendem Läufer der Hauptmaschine der Synchronismus zwischen dem Magnetfeld und dem Statorfeld der Hauptmaschine erreicht wird und daß in dem Antrieb Mittel vorgesehen sind, mit denen bei gleichbleibender Drehzahl des Läufers ein Vor- oder Nacheilen des Magnetfeldes gegenüber dem Statorfeld erzwungen werden kann.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen