DE6924545U

DE6924545U - ELECTRIC MACHINE WITH POLAR WHEEL RUNNER

Info

Publication number: DE6924545U
Application number: DE19696924545
Authority: DE
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1968-08-19
Filing date: 1969-06-19
Publication date: 1970-09-10
Also published as: GB1285967A; CH486152A; DE1931145A1; FR2015887A1

Description

G 69 24 5^5-0G 69 24 5 ^ 5-0

Maschinenfabrik Oerlikon, Zürich-Oerlikon (Schweiz)Maschinenfabrik Oerlikon, Zurich-Oerlikon (Switzerland)

Elektrische Maschine mit Polradlaufer.Electric machine with flywheel rotor.

Es ist bekannt, dass der sog. Trapezkurvenumrichter, sofern er zur Speisung passiver Verbraucher dient, eine hervorragende Ausnützung der Stromrichterventile und einen ausgezeichneten Leistungsfaktor im Speisenetz ermöglicht. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn der Umrichter auf eine sinusförmige Gegenspannung, beispielsweise auf die Spannung einer normalen Synchronmaschine arbeitet. Um die vorteilhaften Eigenschaften des Trapezkurvenumrichters auch beinBetrieb auf eine Gegenspannung weitgehend ausnützen zu können, muss diese Gegenspannung zumindest angenähert Rechteckform aufweisen.It is known that the so-called trapezoidal curve converter, provided it is used to feed passive consumers, is an excellent one Utilization of the converter valves and an excellent power factor in the supply network. This is however, it is no longer the case when the converter reacts to a sinusoidal counter voltage, for example to the voltage of a normal synchronous machine works. To the beneficial Properties of the trapezoidal curve converter also during operation To be able to largely utilize a counter-voltage, this counter-voltage must have at least an approximately rectangular shape.

Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, eine Synchronmaschine mit trapezförmiger Feldkurve auszuführen. Fig. 1 der Zeichnung gibt eine derartige Maschine wieder. Mit 1 ist das Statorblechpaket, mit 2 das Polrad, mit 3 die Maschinenwelle, und mit 4 sind Erregerwicklungen bezeichnet. Um eine näherungsweise rechteckförmige Spulenspannung zu erreichen, müssen sich die Polschuhkanten benachbarter Pole N,S beinahe berühren. Eine Maschine gemäss Fig. 1 ist mit beträchtlichen Mängeln behaftet, da ein übermässiges Flankenstreufeld, vornehmlich zwischen den Polschuhen auftritt, so dass der magnetische Kreis zusätzlich belastet und für die Feldwicklung 4 eine erhöhte Erregerleistung erforderlich wird. Darüber hinaus ist der Wicklungsraum infolge der ausladenden Polhörner beträchtlich eingeengt. A synchronous machine has already been proposed for this purpose to be carried out with a trapezoidal field curve. Fig. 1 of the drawing shows such a machine. With 1 it is Laminated stator core, with 2 the pole wheel, with 3 the machine shaft, and with 4 excitation windings are designated. To an approximate To achieve rectangular coil voltage, need to be the pole shoe edges of neighboring poles N, S almost touch. A machine according to FIG. 1 is afflicted with considerable deficiencies, because an excessive flank stray field occurs primarily between the pole pieces, so that the magnetic circuit additionally loaded and an increased excitation power is required for the field winding 4. In addition, the winding space is considerably narrowed due to the protruding pole horns.

. 32842 692454510.9.70. 32842 692454510.9.70

Es ist Aufgabe dor Erfindung, eine elektrische ί·;αο;:':ί;:- ■ zu schaffen, v/elche die Nachteile ccs Bekannten nicht aufweist, It is the responsibility dor invention, an electric ί ·; αο; ': ί; - to create ■, v / hich the disadvantages ccs friend does not have,

Die Lösung diener Aufgabe besteht darin, dacü eri'isiu.ä.i .:■·- gemäos die Polbedeckung des Polradeinzeipols praicti. sch
gleich ist der halber. FoIteilung und die S-Allen an? S tä:v.-; ■-·::·- wicklung auf eine halbe Polteilung gesehnt sind.The solution to this task consists in dacü eri'isiu.ä.i .: ■ · - according to the pole coverage of the pole wheel single pole praicti. NS
the same is half. Division and the S-Allen ? S ta: v.-; ■ - · :: · - winding to half a pole pitch are longed for.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere cioTin, dass es mit einfachsten Mitteln möglich wird, Masc;:ir:c.-r_; zv bauen, deren Spannungsform eine günstige Zusammenarbeit :.iit Stromrichtern oder Umrichtern auch bei tiefen Frequenz er.
gewährleistet.The advantage of the invention is in particular cioTin that it is possible with the simplest means, Masc;: ir: c.-r _; zv build whose voltage form a favorable cooperation: .i with converters or converters even at low frequencies er.
guaranteed.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dec 5r;"i:ic.\;.";.;c--gegenstandes vereinfacht dargestellt.In the drawing, exemplary embodiments are dec 5r; "i: ic. \ ;.";.; C - subject shown in simplified form.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine vorstehend bereits beschriebene I·-aschir.r,-r.-konstruktion, 1 shows an I · -aschir.r, -r. construction already described above,

Fig. 2 eine beispielsweise zweipolige Ausführungsform der Neuerung in scherriatischer V/iedergäbe,2 shows an example of a two-pole embodiment the innovation in scherriatischer V / iedergäbe,

Fig. 3 bis Fig. 7 Funktionen zur Erläuterung cter Wir-icür.^;.:;-weise, Fig. 3 to Fig. 7 functions to explain cter Wir-icür. ^;.:; - wise,

Fig. 8a bis Fig. 5g und 9a bis 9-f Diagramme ur/ocr .Berücksichtigung der Ankerrückwirkung, 8a to 5g and 9a to 9-f are diagrams for taking into account the armature reaction,

Fig. 10 Mittel zur Steuerung vor. Teilu.mi-iehi.ern, die mit Statorsou.len verbunden sind.Fig. 10 means for control. Teilu.mi-Ihi.ern, the are connected to Statorsou.len.

r · · ft r · · ft

-J.-J.

In Fig. 2 int mit 1' das Statcrblechpaket, r:it 2¹ das Polrad, mj t J5' die Maschinenteile, und mit V sind Erregerwicklungen bezeichnet. .Miteinander verbundene Spulenseiten 5,6 sind Teile einer zweischichtigen Statorwicklung. Die am Kreisumfang gemessene, kürzeste Entfernung zwischen den Polkanten 7,8 bzw. 9,10 ist die Polbedeckung, die ebenso gemessene Entfernung zwischen den Punkten 7,9 bzw. 0,10 dieIn Fig. 2 int with 1 'the stator lamination packet, r: it 2 ¹ the pole wheel, mj t J5' the machine parts, and with V excitation windings are designated. . Interconnected coil sides 5, 6 are parts of a two-layer stator winding. The shortest distance measured on the circumference between the pole edges 7, 8 and 9, 10 is the pole coverage, the distance between points 7, 9 and 0, 10, which is also measured, is the

lässt
Polteilung. Es/'s ich erkennen, dass die Polbedeckung und die Spulenweite der Statorwicklung der halben Pol teilung entsprechen. Nimmt man an , dass das Polrsd im Gegenuhrzeigersir.r; rotiert, so weisen bei der gezeigten Lage und Polarität des Polrades die Spannungen bzw. Ströme der Statorwicklung die dargestellten Richtungen auf, wobei Kreuze in üblicher V/eise einem in die Zeichnungsebene hinein gerichteten Strom, Punkte einem entgegengerichteten Strom entsprechen.leaves
Pole pitch. I can see that the pole coverage and the coil width of the stator winding correspond to half the pole pitch. Assuming that the Polrsd is anti-clockwise; rotates, with the position and polarity of the pole wheel shown, the voltages or currents of the stator winding have the directions shown, with crosses usually corresponding to a current directed into the plane of the drawing, points to a current directed in the opposite direction.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise seien zunächst die Fig. 3 bis 7 betrachtet, in denen auf der Atszisse der Statorumfang χ bzw. die ihm unter Beachtung einer konstanten Geschwindigkeit des Polrades proportionale Zeit t aufgetragen ist.To explain the mode of operation, FIGS. 3 to 7 should first be considered, in which on the Atszissa the Stator circumference χ or the time t proportional to it taking into account a constant speed of the pole wheel is.

Pig· 3 gibt den Verlauf der vom Polrad herrührenden magnetischen Flussdichte B wieder. Der 5ereich I entspricht dem Nordpol N, der Bereich II der Pollücke, der Bereich III dem Südpol S.Pig · 3 gives the course of the curve coming from the pole wheel magnetic flux density B again. Area I corresponds to the north pole N, area II to the pole gap, area III the south pole p.

In Fig. 4 ist die Flussverkettung einer einzelnen, in Fig. 3 strichpunktiert angedeuteten Spule (beispielsweise der Spule 5,6) dargestellt. Wenn die Spulenachse mit der Polradlängsachse^zu&ammenpillt, weist die Flussverkettung Ψ In FIG. 4, the flux linkage of a single coil (for example the coil 5, 6), indicated by dash-dotted lines in FIG. 3, is shown. If the coil axis with the pole wheel longitudinal axis ^ to & ammenpillt, the flux linkage shows Ψ

0324040 10.9.700324040 10.9.70

ein positives oder negatives Maximum auf. Liegt die Spulenachse hingegen in Richtung der Pclradquer- Achse (in der Pollücke) , so besitzt die Flusöverketvang den V.'ert Mull.a positive or negative maximum. Is the coil axis on the other hand in the direction of the Pc wheel transverse axis (in the pole gap) , the Flusöverketvang owns the V.'ert Mull.

D\e in einer Statorspule induzierte Spannung U entspricht dem ersten Dif f e-rentialquotieriten der FunktionV"= \^r (t) nach der Zeit t. Fig. 5 zeigt, dass dementsprechend in der Spule 5,6 eine rechteckförmige Leerlauf spannung UV ^- erzeugt wird.The voltage U induced in a stator coil corresponds to the first differential quotierit of the function V "= \ ^r (t) after time t. Fig. 5 shows that a square-wave no-load voltage UV ^ - is produced.

Verbindet man zwei um l8o el. versetzte Spulen miteinander, so entsteht in einer derartigen Doppelspule eine Rechteckspannung von zweifacher Grosse.If you connect two coils offset by 18o el., a square-wave voltage of twice the magnitude arises in such a double coil.

Jede Spule oder Doppelspule kann mit einem Teiluir.richter zusair.mengeschaltet sein.Each coil or double coil can be fitted with a divider be switched together.

Arbeitet die beschriebene Maschine mit einerr. Tr ape ζ kurv en-Umrichter zusammen, ist an Stelle einer rechteckförmigen Maschinenspannung ohne weiteres auch eine treppenförmige Spannung geeignet, da der Umrichter im Kaschinenstrcm kleine Lücken verursacht, in denen die Maschinenspannung wirkungslos ist. Die Fig. 5,6 und 7 zeilen, wie eine resultierende treppenförmige Spannung U^ bei. ->ielsweise durch die Zusammenschaltung der Spulen 5,6 mit der Spannung U₁- r und der Spulen 11,12 (Fig. 2) rr.it der Spannung U,-, ,_ο erhalten werden kann.If the machine described works with a. Trape ζ curve converters together, instead of a square-wave machine voltage, a step-shaped voltage is also suitable without further ado, since the converter causes small gaps in the machine line in which the machine voltage is ineffective. FIGS. 5, 6 and 7 show how a resulting step-shaped voltage U ^ at. -> can be obtained by interconnecting the coils 5, 6 with the voltage U ₁ - r and the coils 11, 12 (Fig. 2) rr with the voltage U, -,, _ο .

Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Spannungen sind Leerlaufspannungen. Um das Verhalten der Maschine bei Belastung übersehen zu können, ist die Ankerrückwirkung zu berücksichtigen. Die Fig. ba - 8g zeigen Einzelheiten hierzu.The voltages shown in FIGS. 5 to 7 are open circuit voltages. About the behavior of the machine under load To be able to overlook, the anchor reaction has to be taken into account. FIGS. Ba-8g show details of this.

In Fig. 8a ist der Ankerstromoeiai-¹; einer Kiaschine entsprechend Fig. 2 aufgetragen. Die Ar;::aiii der Spulenseiten ist allerdings unterschiodiicn gewalü t worden. Kit a wird die Oberschicht, mit b din Unterschicht der Slar.orwicklung bezeichnet. Der Bereich I entspricht wiederum de:n Nordpol N,In Fig. 8a, the armature current is ¹ ; a cooling machine according to FIG. The ar; :: aiii of the coil sides has, however, been chosen differently. Kit a is the upper layer, with b the lower layer of the slar.orwicking. The area I in turn corresponds to the: n North Pole N,

1' der Bereich II der Pollücke, der Bereich III dem Südpol S und der Bereich IV der Pollücke. Fig. 8b zeigt den Verlauf der Ankerdurchflutung d bzw. der von dieser hervorgerufenen magnetischen Flussdichte B , wobei vereinfachend angenommen wird, dass die magnetische Leitfähigkeit der Pollücken gleich Null ist. Die vom Polrad herrührende, magnetische Leerlaufinduktion B kann der Fig. 8c entnommen werden. Die Gesamtinduktion B^ stellt die Summe aus B und B dar (Fig. 8d). Die in den einzelnen Spulenseiten erzeugten Spannungen entsprechen dem Verlauf von B . Sie sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Fig. 8e gibt den Spannungsverlauf U in einer oberen Spulenseite, Fig. bf den Spannungsverlauf U in einer unteren Spulenseite ein und derselben Spule wieder. Die gesamte Spuienspannung U_Q setzt sich aus U und U zusammen und verläuft gemäss Fig. bg. Es ist selbstverständlich, dass die aus der zuletzt genannten Figur ersichtlichen Spannungsoberwelien von der Jeweiligen Fjaschinencelastung abhängen und zur Verdeutlichung des Sachverhalts sehr stark vergrössert angenommen wurden. 1 ' the area II of the pole gap, the area III the south pole S and the area IV of the pole gap. FIG. 8b shows the course of the armature flow d or the magnetic flux density B caused by this, it being assumed for the sake of simplicity that the magnetic conductivity of the pole gaps is equal to zero. The magnetic no-load induction B originating from the pole wheel can be seen in FIG. 8c. The total induction B ^ represents the sum of B and B (Fig. 8d). The voltages generated in the individual coil sides correspond to the curve of B. However, they are out of phase with one another. FIG. 8e shows the voltage profile U in an upper coil side, FIG. Bf the voltage profile U in a lower coil side of one and the same coil. The total coil voltage U _Q is made up of U and U and runs according to FIG. It goes without saying that the tension surges shown in the last-mentioned figure depend on the respective load on the Fj machine and were assumed to be greatly enlarged to clarify the facts.

In welcher V/eise die Ankerrückv.irl-ruru" bei einer herkömmlichen Maschine in der Gena.Titspanr.ung LJ,, auftritt, zci an Hand von Fig. p eriMutort.The manner in which the anchor reverse vane ruru "occurs in a conventional machine in the Gena.Titspanr.ung LJ ,, zci on the basis of Fig. P eriMutort.

In Fig. 9a sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. ba. Es liegt wiederum eine zweipolige Maschine vor (I - Bereich des Nordpols, Il = Bereich der Pollücke, III = Bereich des Südpols), wobei jedoch die Statorwicklung ungesehnt ausgeführt ist und die Polbedeckun'i 2/5 beträgt. Fig. 9b zeigt den Verlauf der Ankerdurchflutuni;In Fig. 9a, the same parts are given the same reference numerals provided as in Fig. ba. There is again a two-pole machine (I - area of the North Pole, II = area of the Pole gap, III = area of the south pole), although the stator winding is not lengthened and the pole cover Is 2/5. 9b shows the course of the anchor throughflow;

θ . und der zugehörigen magnetischen Flusf:dichte B. . Λα.?. Fig. 9c folgt die Leerlauf induktion, aus Fig. 9d die Gesar.it·- induktion B · Da die Wicklung nicht gesehnt ist, weisen die Spannungen U und U (Fig. 9e und 9£) nun die gleiche Phasenlage auf, so dass die gesamte Spulenspannung U„ dem Verlauf von B in Fig. 9d entspricht, θ. and the associated magnetic flux: density B.. Λα.?. Fig. 9c follows the idle induction, from Fig. 9d the totality · - induction B · Since the winding is not longed, the voltages U and U (Fig. 9e and 9 £) now have the same phase position, so that the total coil voltage U "corresponds to the curve of B in FIG. 9d,

Aus einem Vergleich zwischen Fig. 8g und Fig. 9d folgt, dass die Spannungsverzerrung infolge der Ankerrückwirkung bei der neuerungsgemässen Maschine im Verhältnis zu den bekannten Maschinen mit doppelter Frequenz auftritt. Dies erleichtert eine Glättung der Spannung ganz ausserorderitlieh.From a comparison between FIG. 8g and FIG. 9d it follows that that the voltage distortion as a result of the armature reaction in the machine according to the innovation in relation to the known machines occurs with double frequency. This greatly facilitates smoothing the tension.

Die bestmögliche Ausnützung der neuen Maschine ist α?.:·:: gewährleistet, wenn der wirksame Statorstrombeiag im aktive"; Feldbereich liegt, wie es gemäss Fig. 2 der Fall ist. Urr. dieses Ziel zuerreichen, ist es notwendig, die Kommutierung des mit einer Ankerspule zusarnrnenseschalteten Teilumrichters immer dann vorzunehmen, wenn die Spuler.seiten an den Polkanten liegen. Fig. 10 zeigt eine Möglichkeit zur Lösung des Problems.The best possible utilization of the new machine is α?.: · :: guaranteed if the effective stator current contribution is active "; Field area is, as is the case according to FIG. Urr. To achieve this goal, it is necessary to reduce the commutation of the partial converter connected to an armature coil always to be carried out when the Spuler.seiten on the pole edges lie. Fig. 10 shows one way of solving the problem.

Mit der Kaochlnonwelle Ϋ des Po.lrades 2' ist cine linpuli;-geberschei.be 1J> fest verbunden. Eine im Räume stillstehende, jedoch mittels eines Handgriffes 14 vc-rdrehbare Taktgeber-Brücke 15 weist Fhotozcllen Io auf, welche je mit einem Steuergerät 17 eines Umrichters 18 in Verbindung stehen, der wiederum mit einer der Stator-Spulen, z.E. 5,6 zusammengeschaltet ist.A linpuli; encoder disc 1J> is firmly connected to the Kaochlnonwelle Ϋ of the Po.lrades 2 '. A clock bridge 15, which is stationary in the room but can be rotated by means of a handle 14, has photos which are each connected to a control device 17 of a converter 18, which in turn is connected to one of the stator coils, zE 5,6 .

Die Anordnung wirkt folgendermassen:The arrangement works as follows:

Auf die Photozeilen 16 ist ein Lichtstrahl gerichtet. Solange dieser nicht durch die Impulsgeberscheibe IJ abgedeckt ist, gibt die Photozelle ein konstantes Signal (Eins) ab, wird der Lichtstrahl durch die drehende Impuisgeberscheibe unterbrochen, ist das abgegebene Signal gleich Null, lieber die Steuerelektronik 17 und Umrichter 18 ist nun dem Signal "Eins" z.B. eine positive Stromrichtung, dem Signal "Null" eine negative Stromrichtung der betreffenden Maschinenspule zugeordnet. Auf diese V/eise wird beim Zuschalten des Motors sofort die richtige Stromverteilung Hergestellt. Beginnt sich die Impulsgeberscneioct mit der Motorwelle zu drehen, wird die sich im Stillstand einstellende Stroinrichtung in jeder Spule nach jeder halben Umdrehung gewendet. Durch Verdrehen der Tsktgeberbrüc'.ce 15 kar.r. die Lage der ko.tirr.utierenden Spule relativ zum Polrad 2' eir.^rrstellt werden und zwar derart, dass sich die Kommutierungen stets in jenen Spulen vollziehen, deren Spuionseiten an den Po 1 kan ten .1 i -^gen.A light beam is directed onto the photo lines 16. As long as this is not covered by the pulse generator disk IJ , the photocell emits a constant signal (one), if the light beam is interrupted by the rotating pulse generator disk, the output signal is zero, the control electronics 17 and converter 18 are now the signal "one "For example, a positive current direction is assigned, the signal" Zero "is assigned a negative current direction of the relevant machine coil. In this way, the correct power distribution is established immediately when the motor is switched on. When the pulse generator starts to turn with the motor shaft, the stroking device that is set at standstill is turned in each coil after every half turn. By turning the Tsktgeberbrüc'.ce 15 kar.r. The position of the co.tirr.utating coil relative to the pole wheel 2 ' can be set in such a way that the commutations always take place in those coils whose spout sides are at the po 1 edge.

Claims

saying ^:

Υ, / electrical machine with pole wheel run er / ^ a characterized by, that the pole cover of the pole wheel is practical half the pole pitch and the coils of the stator winding are longed for half a pole pitch.

3U. Electrical machine according to patent claim ^, characterized in that the coils (5, 6 ...) of the stator winding are connected to a partial converter (18) each.

2 .. Electrical machine according to patent claim / and - %, characterized in that two coils of the stator winding offset by 100 ° el. Are connected to one another.

ft, electrical machine according to patent claim / dnd UntoranSlaim- %, characterized in that adjacent coils (5 »6; 11,12; ...) of the stator winding are connected to one another.

. Electrical machine according to patent claim / and %, characterized in that means (13, 15, 16, 17) are provided which control the partial converters (iS) in such a way that commutation always occurs in those coils whose coil sides are respectively at the poikants (7, ^, 9,10).

. Electrical machine according to ar.spruch ^ T, characterized in that the Γ-'itcei to control the partial converters (18) with the Mascrunon shaft {V Vies Polrades (2 ') firmly connected Irr.pulsFeberheibe (13), a stationary in the space ,

However rotatable, equipped with photocells (16) Clock generator bridge (15) and a control device (17) connected to each partial converter (18).

MACHINE FACTORY OERLIKON