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Elektrisches Getriebe Für die Herabsetzung oder Erhöhung der Drehzahl
zwischen Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden Zahnradgetriebe verwendet. Es
zeigt sich, daß in vielen Fällen diese Zahnradgetriebe ungünstigen Beanspruchungen
und dementsprechend einem starken Verschleiß ausgesetzt sind. Besonders ungünstig
wirken sich auf das Zahnradgetriebe Stoßbeanspruchungen aus und ein Betrieb, bei
dem die Kraftrichtung im Getriebe wechselt, so daß es zu einem Abheben der Zähne
kommt. Derartige Getriebe unterliegen selbst bei Verwendung hochwertiger Materialien
einem starken Verschleiß, der auf die Dauer den Wirkungsgrad und den ruhigen Lauf
des Getriebes erheblich verschlechtert. Besonders bei Kraftmaschinen für den Schiffsantrieb,
bei denen das Getriebe infolge des an der Schraube auftretenden wechselnden Drehmomentes
starken Stoßbeanspruchungen ausgesetzt ist, ferner bei Kolbenmaschinenantrieben
mit dem pulsierenden Drehmoment dieser Kraftmaschine, ferner bei Einphasengeneratoren,
die von Dampfturbinen -über Getriebe angetrieben werden, und bei denen besonders
bei stärkerer Blindlastabgabe und geringer Wirklast ein mit der doppelten Betriebsfrequenz
(331/, Hz) wechselndes Drehmoment auftritt und zum Abheben der Zähne führt,
ist der Zahnverschleiß stark. Aus den geschilderten Gründen ist man in besonders
schwierigen Fällen auf Flüssigkeitsgetriebe übergegangen (Föttinger, Voith-Sinclair),
die im wesentlichen eine Kombination von Pumpe und Turbine sind. Diese Anordnungen
haben zwar geringen Verschleiß, sind aber sehr teuer und umfang' reich.
Die
1#ründung betrifft ein elektrisches Getriebe,. das insbesondere die geschilderten
Nachteile von Zahnradgetrieben vermeidet.
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Gemäß der Erfindung sind die antreibende und die angetriebene Welle
des Getriebes je mit einem Läufer zweier Synchron- oder Asynchronmaschinen gekuppelt,
deren die höhere Frequenz führende Ständer einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen.
Die Bauart ist dabei insbesondere derart, daß die beiden Ständerwicklungen sicl-i
auf der äußeren und der inneren Mantelfläche eines ringförmigen Eisenkernes befinden,
der von dem einen Läufer umgeben ist, während er defi' anderen umschließt. Da bei
diesem Getriebe die Kraftübertragung durch das magnetische Feld in den Luftspalten
der beiden Maschinen erfolgt, so können sich die geschilderten Abnutzungserscheinungen
von Zahnrädern nicht einstellen, auch wenn das Getriebe starken Stoßbeanspruchungen
oder wechselnder Kraftrichtung ausgesetzt ist. Durch die Anordnung der beiden Ständerwicklungen
des Getriebes auf einem gemeinsamen Eisenkern läßt sich außerdem eine wesentliche
Ersparnis an Arbeit und Material für die Wicklungen und das Eisen des gemeinsamen
Ständers gegenüber normalen elektrischen Maschinen erzielen da man für die Wicklungen
eine stark vereinfacl#ie Bauart benutzen kann und das gemeinsame Ständereisen leichter
ist als zwei getrennte Eisenkeine. Außerdem ist man bei diesem Getriebe an keine
bestimmte Frequenz für die beiden elektrischen Maschinen gebunden und kann sie vielmehr
frei wählen und sie den gegebenen Verhältnissen anpassen, wodurch sich ebenfalls
Ersparnisse, insbesondere am Gewicht des Getriebes, erzielen lassen.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. i und 2 zeigen zunächst im Schnitt und
in der Stimansiclit das neue elektrische Getriebe, wobei der den beiden elektrischen
Maschinen gemeinsame Eisenkern i einerseits von dem Läufer 2 der einen Maschine
umschlossen ist, während er andererseits den Läufer 3 der zweiten Maschine
umschließt. Der ringförmige Eisenkern i trägt an seiner äußeren und inneren Mantelfläche
die beiden die höhere Frequenz aufweisenden Wicklungen 4 und 5, die mit den
Erregerwicklungen an den Läufem 2, und 3 zusammenarbeiten.
6 ist die mit dem äußeren Läufer 2 gekuppelte antreibende Welle,
7 die angetriebene Welle, auf der der Läufer 3 sitzt. 8 ist
die Tragkonstruktion für das Ständereisen 1. 9 sind das Ständereisen durchdringende
Bolzen für die Befestigung des Ständereisens an der Tragkonstruktion. Das Getriebe
soll mit einer Übersetzung 1: 2 arbeiten, was dadurch erreicht ist, daß die Ständerwicklung
4 und der zugeordnete Läufer 2 gegen-Ciber der - Ständerwicklung
5
und dem zugeordneten Läufer 3 die doppelte Polzahl (2 pl =
8 und -- p, = 4) aufweisen, so daß die Welle 6
mit der halben
Drehzahl läuft wie die Welle 7. Bei der dargestellten Anordnung sind die
für das elektrische Getriebe benutzten beiden elektrischen Maschinen Synchronmaschinen,
wobei die Läufer ausgeprägte Pole io und ii besitzen, die mit Gleichstrom erregt
sind. Man könnte aber auch die eine der beiden Maschinen als Asynchronmaschine ausführen,
und zwar insbesondere die innen angeordnete Maschine, wobei dann der Läufer
3 eine Kurzschlußwicklung und einen lamellierten Eisenkern bekommt.
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Die beiden Wechselstromwicklungen an der Innen-und an der Außenseite
des Ständereisens, von denen die eine generatorisch, die zweite motorisch arbeitet,
können außerordentlich einfach und robust ausgeführt werden. Man kann diese Wicklungen
beispielsweise als Kurzschlußringwicklungen ausführen, so daß alle Stäbe der Wicklung
parallel geschaltet sind. Fig. 2 der Zeichnung zeigt das Wickelschema für die bei
der Anordnung der Fig. i benutzten Wicklungen. Der obere Teil der Figur zeigt die
Ansicht der Stirnverbindungen für die innere und für die äußere Wicklung an der
linken Seite der Fig. i. Der untere Teil der Fig. i zeigt die Stimverbindungen an
der rechten Seite. Die Kreise mit eingezeichnetem Punkt oder Kreuz sollen dabei
die normal zur Zeichenebene verlaufenden Stäbe der Wicklung und den Richtungssinn
des Stromes in ihnen veranschaulichen. Wie ersichtlich, sind auf der rechten Seite
alle Stäbe beider Wicklungen an einem gemeinsamen Kurzschlußring 12 angeschlossen.
Auf der linken Seite sind für die drei Phasen U, V, W der beiden Wicklungen
je zwei gesonderte Kurzschlußringe 13, 14 bzw. 15, 16 und 17, 18 vorgesehen,
von denen die Ringe 13, 15 und 17 beispielsweise mit den Phasenanfängen der beiden
Wicklungen verbunden sind und die Ringe 14, 16 und 18 mit den Phasenenden. Während
bei der Wicklung 2 pl = 8 je Phase und Polteilung ein Stab vorgesehen ist,
sind bei der unteren Wicklung 2 P, = 4 immer zwei nebeneinander angeordnete
Stäbe vorgesehen, die sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite durch
den Kurzschlußring unmittelbar parallel geschaltet sind.
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Sofern bei dem Getriebe der Erfindung eine Umschaltung zwischen den
beiden Wicklungen des Ständereisens nicht vorgenommen zu werden braucht,
kann man die besonders einfache und robuste und wegen der geringen Spannungen mit
einem Minimum an Isolation arbeitende Anordnung der Fig. ?, wählen. Man kann aber
auch zwischen den beiden Wicklungen einen Umschalter für die Umkehr des Umlaufsinnes
für die Phasenverkettung einbauen, um auf diese Weise die Verwendbarkeit des Getriebes
zu erhöhen. Auch bei dieser Anordnung, bei der je nach der Stellung des Umschalters
die von der äußeren und von der inneren Seite des Ständers ausgehenden Drehfelder
die gleiche oder die entgegengesetzte Unüaufrichtung haben, ergibt sich eine sehr
einfache Ausführung für die beiden Ständerwicklungen, wie aus der Fig.
3 zu ersehen ist, deren zeichnerische Darstellung mit der Fig.
9, im wesentlichen übereinstimmt. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in
Fig. 4 die einzelnen Phasen U, V, W, X, Y, Z und U', V, W,
X',
Y', Z' üi noch vereinfachter Darstellungsform und die Verbindungen zwischen
diesen Phasen und die Einrichtungen zur Phasenumkehr dargestellt. Wie ersichtlich,
sind die innen gelegenen Anfänge X, Y, Z
der einen Wicklung und
X', Y', Z' der anderen Wicklung mit entgegengesetztem Umlaufsinn für
jede Wicklung miteinander verbunden, während die äußeren Enden U,
V, W der ersten Wicklung und U', V', W'
der zweiten Wicklung
mit gleichem Umlaufsinn miteinander verbunden sind. Außerdem können mit Hilfe der
Kurzschlußschalter2i und 22 wahlweise entweder die äußeren Enden der beiden Wicklungen
oder ihre inneren Anfänge zu Sternpunkten vereinigt werden. je nachdem ob der eine
oder der andere Stempunkt geschlossen ist, besitzt dann die eine Wicklung gegenüber
der anderen die gleicheUmlaufrichtung des Drehfeldes oder die entgegengesetzte.
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Durch die Vertauschung der Phasenverkettung gemäß der Anordnung nach
Fig. 3 kann man an dem Getriebe zwei Übersetzungen herstellen. Die Zahl der
Übersetzungen läßt sich noch vergrößern, wenn man eine oder beide der auf dem Ständer
untergebrachten Wechselstromwicklungen polumschaltbar macht, da das Polzahlverhältnis
zwischen diesen beiden Wicklungen ebenfalls das Übersetzungsverhältnis des Getriebes
bestimmt. Da bekanntlich Polumschaltungen sich besonders einfach an Zweiphasenwicklungen
durchführen lassen, so wird man in diesem Falle die beiden Wicklungen des Ständers
zweiphasig ausführen, um die Polumschaltung möglichst einfach zu gestalten. Sofern
eine oder beide der für das Getriebe verwendeten elektrischen Maschinen Synchronmaschinen
sind, muß der der polumschaltbaren Wicklung zugeordnete Läufer ebenfalls mit seinen
Erregerpolen umschaltbar sein, was bekanntlich sowohl bei ausgeprägten als auch
bei nicht ausgeprägten Polen mit verteilter Erregerwicklung ohne Schwierigkeit durchführbar
ist. Diese Schwierigkeiten fallen weg, wenn man den der umschaltbaren Wicklung zugeordneten
Läufer als Asynchronläufer mit Kurzschlußkäfig ausführt.
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Man kann das Übersetzungsverhältnis des elektrischen Getriebes auch
kontinuierlich regelbar machen, wenn man den für die beiden Maschinen gemeinsamen
Ständer drehbar lagert und Einrichtungen für das Abbremsen dieses Ständers vorsieht
etwa elektrisch oder derart, daß mit dem Ständer eine Bremsscheibe gekuppelt ist,
auf der im Anpressungsdruck regelbare Brernsbacken schleifen. Bezeichnet man mit
n, die Drehzahl der das Getriebe antreibenden Welle und mit N, die auf der Antriebsseite
zugeführte mechanische Leistung, mit n, die durch die Abbremsung gehaltene Drehzahl
des drehbar gelagerten Ständers, mit N2 die Bremsleistung, ferner mit n, die Drehzahl
auf der Abtriebsseite des Getriebes und mit N, die vom Getriebe abgegebene
Leistung und schließlich mit P,
und p, die Polzahlen der beiden elektrischen
Maschinen, so lassen sich nach einigen Umrechnungen folgende Beziehungen aufstellen:
Das Minuszeichen in der Klammer dieser Gleichungen gilt, sofern die beiden Drehfelder
an dem drehbar gelagerten Ständer die gleiche Umlaufrichtung haben, das Pluszeichen
gilt, wenn das Drehfeld an der Innenseite die entgegengesetzte Umlaufrichtung hat
als das an der Außenseite des Ständers.
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Aus den obigen Gleichungen ergeben sich folgende Beziehungen. Bei
gleicher Polpaarzahl der beiden Ständerwicklungen, also
P, #
p, ist
bei gleicher Umlaufrichtung der beiden Drehfelder bei jedem beliebigen Drehzahlverhältnis
also bei jeder beni liebigen Bremsdrehzahl die Bremsleistung am Ständer
N, = 0. Dieses ist auch erklärlich, weil die am Ständer angreifenden
Drehmomente dann gleich groß sind und sich aufheben. In diesem Falle braucht der
Ständer nicht besonders fest gebremst zu werden. Die Leistung an der Abtriebswelle
(N,) ist bei allen Bremsdrehzahlen gleich der Antriebsleistung
N" ebenso
ist das Drehzahlverhältnis n, zu n, stets gleich i. In Fig.
5 der Zeichnung
sind diese Beziehungen in einem Diagramm dargestellt, wobei die voll ausgezogenen
Linien für die gleiche Umlaufrichtung der beiden Drehfelder gelten. Bei entgegengesetzter
Umlaufrichtung der beiden Drehfelder der Ständer-
nisse an Hand der gestrichelten Linien dargestellt. Wie sich die Verhältnisse gestalten,
wenn die Polzahlen auf der Innen- und auf der Außenseite des Zwischenständers voneinander
abweichen, ist an Hand der Diagramme der Fig.
6 erkennbar, wobei wiederum
für die gleiche Umlaufrichtung die vollen Linien, für die entgegengesetzte Richtung
der beiden Drehfelder die gestrichelten Linien gelten. Es ist
bis auf
0 feinstufig zu regulieren.
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Bei den bisherigen Anordnungen besitzt das elektrische Getriebe mindestens
an dem einen Läufer Gleichstromerregung (entweder auf der Antriebs- oder auf der
Abtriebsseite), so daß Schleifringe für die Zuführung des Gleichstromes und eine
Gleichstromquelle erforderlich sind. Man kann diese Anordnung noch wesentlich> vereinfachen,
indem man das elektrische Getriebe vollständig als Asynchrongetriebe ausbildet und
die Erregung des Getriebes dadurch sichert, daß man die höherperiodigen Ständerwicklungen
an Kondensatoren anschließt. Fig. 7 der Zeichnung zeigt die Anordnung, wobei
das Getriebe zwischen einem 5operiodigen Motor 34 mit 3000
Umdrehungen und
einem Hochfrequenzgenerator 35
mit gooo Umdr. /Min. für die Erzeugung einer
Frequenz von 30 ooo Hz zwischengeschaltet ist. An die Ständerwicklungen sind
in Parallelschaltung die Kondensatoren 36 angeschlossen. Die beiden asynchronen
Läufer des Getriebes sind mit Käfigwicklungen ausgerüstet. Der dadurch bedingte
Wegfall der Schleifringe ist hier besonders deshalb zweckmäßig, weil der Hochfrequenzgenerator
gemeinsam mit dem Getriebe und dem Antriebsmotor zur Verminderung der Ventüationsverluste
in einer Wasserstoffatmosphäre läuft. Die Anordnung von Schleifringen würde die
Explosionsgefahr des Wasserstoffes erhöhen.
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Im folgenden sind noch besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten
für das elektrische Getriebe der Erfindung angegeben. Fig. 8 zeigt eine Anordnung
für den Antrieb einer Schiffsschraube 23
durch einen Dieselmotor 24. Zur Herabsetzung
seiner Drehzahl ist zwischen der Schiffsschraube und dem Diesehnotor das elektrische
Getriebe 9,5 der Erfindung eingeschaltet. Gegenüber der Zwischenschaltung
einer Zahnradübersetzung ergeben sich dabei wesentliche Vorteile. Da an dem elektrischen
Getriebe Ständer und Läufer gegeneinander elastisch nachgiebig sind, so wird durch
die Zwischenschaltung dieses Getriebes die Antriebswelle der Schiffsschraube sowie
auch der Dieselmotor gegen unzulässige Stoßbeanspruchungen geschützt, wie sie z.
B. bei Schiffsschrauben für Eisbrecher vorkommen. Um die Zahnradübersetzung gegen
derartige Stöße durch die Schiffsschraube zu schützen, hat man bereits vorgeschlagen,
zw5schen der Zahnradübersetzung und dem Dieselmotor eine elektromagnetische Kupplung
einzubauen. Die Anordnung nach Fig. 7 macht eine derartige elektromagnetische
Kupplung überflüssig. Trotzdem das elektrische Getriebe nicht nur die Kupplung,
sondern auch das Zahnradgetriebe ersetzt, ist der Mehraufwand gegenüber dieser Kupplung
nur gering, da er im wesentlichen nur im zusätzlichen Zwischenständer besteht.
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Auch beim Antrieb von Mittel- oder Hochfrequenzgeneratoren kann man
das elektrische Getriebe der Erfindung mit Vorteil anwenden. Beispielsweise zeigt
Fig. 9 eine Anordnung, bei der ein mit 3000 Um-
drehungen laufender,
mit 5o Hz gespeister Antriebsmotor 26 über ein die Drehzahl im Verhältnis
1: 3
heraufsetzendes elektrisches Getriebe 27 einen mit gooo Umdrehungen
laufenden Hochfrequenzgenerator 28 antreibt. Bei dieser hohen Drehzahl des
Ho#hfrequenzgenerators kann man Frequenzen bis zu 50 ooo Hz bei normalen,
für Mittelfrequenz; bekannten Ausführungen des Generators erreichen. Derartige Generatoren
werden beispielsweise für die Erzeugung von Ultraschall oder auch für Induktionsheizung
(Zahnhärtung) benötigt.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet des Getriebes besteht bei langsam laufenden
Kraftwerkgeneratoren. Beispielsweise zeigt Fig. io eine Anordnung, bei der ein langsam
laufender vertikaler Wasserkraftgenerator mit seiner Welle 29 über ein elektrisches
Getriebe die schnell laufende Erregermaschine 3o antreibt. Eine derartige Anordnung
ist namentlich bei extrem niedriger Drehzahl des Wasserkraftgenerators zweckmäßig,
da die Erregermaschine dann bei unmittelbarer Kupplung mit unwirtschaftlich großem
Durchmesser gebaut werden muß, um zu Umfangsgeschwindigkeiten zu kommen, bei denen
das magnetische Material einigermaßen ausgenutzt ist. Fig. ii zeigt die Zwischenschaltung
des elektrischen Getriebes 3o zwischen einer Kaplanturbine 31 und dem von der Kaplanturbine
angetriebenen Wasserkraftgenerator 32.
Beispielsweise soll die Drehzahl der
Kaplanturbine 75 Umdr./Min. betragen, die durch das Getriebe auf eine Drehzahl
von 300 Umdr./Min am Generator erhöht wird. Die Erregermaschine des Generators
33
ist dann unmittelbar mit diesem gekupp#It. Zunächst bringt diese Anordnung
den Vorteil mit sich, daß der Generator weitaus kleiner und billiger wird, da man
bei 3oo Umdrehungen eine normale Type wählen kann, deren Durchmesser weniger als
die Hälfte des bei 75 Umdrehungen erforderlichen Generatordurchmessers beträgt.
Es ergeben sich also nicht nur erhebliche Gewichts-, sondern auch vor allem Raumeinsparungen,
die wiederum die Gebäudekosten für das Kraftwerk wesentlich beeinflussen. Darüber
hinaus hat jedoch gerade bei derartigen Wasserkraftgeneratoren der Zwischenbau des
elektrischen Getriebes noch einen besonderen Vorteil. Bekanntlich
müssen
die Läufer derartiger Wasserkraftgeneratoren für eine Durchgangsdrehzahl dimensioniert
werden, die bei Kaplanturbinen bis zu 16o 0/, über der Betriebsdrehzahl liegt.
Eine solche Dimensionierung entfällt nun beim Zwischenbau eines elektrischen Getriebes.
Man kann beim Durchgehen der Turbine den Generator von der Turbine dadurch entkuppeln,
daß man am Getriebe die Erregung wegnimmt. Beispielsweise kann bei dem dargestellten
Getriebe die Gleichstromerregung des äußeren synchronen Läufers abgeschaltet und
dadurch die Turbine abgekuppelt werden. Man kann z. B. mit der Turbine eine zuverlässig
wirkende Fliehkrafteinrichtung kuppeln, die bei Überschreitung einer bestimmten
Betriebsdrehzahl durch Betätigung eines Hilfsstromkreises die Erregung an dem einen
Läufer des synchronen Getriebes abschaltet. Durch den Zwischenbau des elektrischen
Getriebes ergeben sich also ähnliche Verhältnisse wie beim Antrieb eines Generators
durch eine Dampfturbine, wo man ebenfalls auf eine Dimensionierung für die Durchgangsdrehzahl
verzichtet und sich auf das Wirken des Schnellschlußventils verläßt. Es genügt dann,
den Generator der Fig. ii für eine Überdrehzahl zu dimensionieren, die 2o
% über der Betriebsdrehzahl liegt. Dadurch wird der Läufer wesentlich verbilligt.
Das elektrische Getriebe wird man insbesondere bei derartigen der Fig. ii entsprechenden
Anordnungen mit geringer Polzahl und kleinerem Durchmesser, d. h. für geringere
Frequenzen als 5o Per./Sek., bauen, so daß der Urischenständer eine billige und
robuste Ausführung mit stärkeren Blechen und massiver Kurzschlußringwicklung erhalten
kann. Für die Anfangserregung beim Anfahren wird man das elektrische Getriebe mit
ausreichender Remanenz ausführen, indem man einige Pole mit einer Zwischenstrecke
aus permanentem Magneteisen ausbildet.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für das elektrische Getriebe der Erfindung
besteht darin, daß man es für geräuscharme Übersetzungen benutzt, da gegenüber einem
Zahnra:dgetriebe das elektrische Getriebe praktisch geräuschlos ist. Ferner kann
man das elektrische Getriebe auch mit Vorteil bei Übersetzung auf Höchstdrehzahlen
verwenden, wo die üblichen Zahnradübersetzungen wegen zu hohem Verschleiß versagen.
Man wird dann den hochtourigen Läufer des Getriebes als asynchronen Massivläufer
ausführen.