-
Synchronmaschine ohne Schleifringe Es sind Synchronmaschinen bekanntgeworden,
die einen Betrieb ohne Schleifringe zulassen. Im Patent 870 721 ist z. B. eine solche
Maschine angegeben, die im Ständer und im Läufer außer ihrer Hauptwicklung noch
je eine Hilfswicklung anderer Polzahl aufweist, die mit den Hauptwicklungen nicht
gekoppelt ist. Es wirken lediglich nur gleichpolige Wicklungen aufeinander ein.
Die Hilfswicklung im Ständer wird mit Gleichstrom gespeist und erregt die zugehörige
Hilfswicklung im Läufer, die über umlaufende, auf dem Läufer untergebrachte Gleichrichter
die Haupterregerwicklung im Läufer speist. Von dieser wird dann erst die zugehörige
Hauptwicklung im Ständer beeinflußt. Die beiden Wicklungen im Ständer und im Läufer
machen die Maschine sehr aufwändig und setzen außerdem ihre Ausnutzung ganz beträchtlich
herab, was beides als Nachteil empfunden wird.
-
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem sie die beiden. Wicklungen
im Ständer und Läufer zu je einer vereinigt. Das geschieht in der Weise, daß man
die Wicklungen wie polumschaltbare Wicklungen ausführt, in denen zur gleichen Zeit
Ströme verschiedener Frequenz fließen können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.
Man kann auf diese Weise der Ständerwicklung, der man den Nutz-Strom entnimmt, noch
einen Gleich- oder auch einen ein- oder mehrphasigen. Wechselstrom überlagern, mit
dem man ein Hilfsfeld von anderer Polzahl als der des Hauptfeldes bildet. Dieses
Hilfsfeld erzeugt dann in der ähnlich geschalteten und auf die gleiche Polzahl ansprechenden
Läuferwicklung einen
Wechselstrom geeigneter Frequenz, der über
Gleichrichter, die mit dem Läufer umlaufen, gleichgerichtet und der gleichen Läuferwicklung
oder auch nur Teilen derselben zugeführt wird, in der dann das der Frequenz des
abgegebenen -Stromes entsprechende. Hauptfeld gebildet wird.
-
Einige Beispiele sollen das Wesen der Erfindung besser erkennen lassen.
-
In Fig. i a ist die Abwicklung einer vierpoligen Wicklung dargestellt.
Das Blechpakethabevierundzwanzig Nuten, der Durchmesserschritt beträgt demnach sechs
Nuten. In der Figur ist die Wicklung für eine Phase mit zwei Nuten für eine Spulenseite
dargestellt. Die Anfänge und Enden der einzelnen, Spulen sind mit u1 x1, u2-x2 usw.
bezeichnet. Alle Spulen sind in Reihe geschaltet. Das Schaltbild unterscheidet sich
in keiner Weise von dem eines üblichen Wicklungsbildes, bei dem alle Zweige in Reihe
geschaltet sind. Speist man nun u1 mit einem Gleich- oder Wechselstrom, den man
bei u4 wieder abführt, so entsteh@n in der Wicklung in abwechselnder Folge zwei
Nord- und zwei Südpole. Führt man dagegen bei u1 und u4 einen Gleich- oder Wechselstrom
zu, den man bei u2 und u3 wieder entnimmt, so entsteht in der Maschine ein zweipoliges
Feld. Die Ströme für die Erzeugung .des vierpoligen Feldes sind in der Wicklung
durch einfache Pfeile angedeutet, die für das zweipolige Feld durch Pfeile mit einem
kleinen Kreis am Ende. Wenn ein vierpoliges Wechsel- oder Drehfeld den Wicklungszug
ul u4 durchsetzt, entsteht zwischen u1 und u4 (U-X) eine Wechselspannung. Man darf
daher in .diesem Fall u1 und u4 nicht unmittelbar miteinander verbinden, um den
zusätzlichen Strom einzuführen. Vielmehr muß man U-X durch eine Drosselspule i überbrücken,
die in der Mitte eine Anzapfung besitzt, an der der zusätzliche Strom zugeführt
wird. Da er von der Mitte nach beiden Seiten abfließt, kann er in der Drosselspule
keine störende Wirkung ausüben, weil sich die Amperewindungen in beiden Hälften
gegenseitig aufheben.
-
Man kann auch auf die DrosselspuleI verzichten, wenn man aus den vier
Spulen zwei parallele Gruppen bildet. Die eine besteht aus den Spulen u1, x1 und
u3, x3, die andere aus x2, u2 und x4, u4. Der zusätzliche Strom wird dann bei u3
und u2 zu-und abgeführt. Darauf wird später noch näher eingegangen.
-
In Fig.I b ist die vierpolige Felderregerkurve dargestellt, die von
einem bei U (u1) zugeführten und bei X (u2) abgeführten Strom erzeugt wird; und
umgekehrt. Fig. i c zeigt dagegen die zweipolige Felderregerkurve, die von dem bei
u1, u4 und u2, u3 zu- bzw. abgeführten Strom herrührt. Wie man erkennt, stören sich
die beiden Felderregerkurven gegenseitig nicht.
-
Fig. 2 a zeigt die Schaltung des Ständers einer solchen Maschine mit
den drei Phasen U, V, W. Diese sind in üblicher Weise in Stern oder in Dreieck geschaltet.
Parallel zu einer Phase, z. B. U, ist die Drosselspule i geschaltet. Anden Mittelpunkten
der Phase U und der Drosselspule i wird der zusätzliche Strom zu- bzw. abgeführt,
der durch Pfeile mit einem Kreis am Ende gekennzeichnet ist In der zugeordneten
Läuferphase u (vgl. Fig. 2b; entsteht ein entsprechender Strom entgegengesetzter
Richtung, der durch den mit dem Läufer umlaufenden Gleichricher 2 (Trockengleichrichter)
in Gleichstrom umgeformt und den beiden in Reihe oder parallel geschalteten Läuferphasen
v und u zugeführt wird. In diesen beiden Phasen wird nun das eigentliche vierpolige
Hauptfeld gebildet, das bei der Drehung des Läufers in den drei Ständerphasen die
Generatorspannung mit der richtigen Frequenz erzeugt.
-
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines derartigen, z. B. vierpoligen Generators,
dessen Hilfsfeld durch eine ruhende Gleichrichteranordnung selbsttätig lastabhängig
erregt wird. Es bedeutet 3 den Ständer des Generators mit den drei Phasen 4, 5 und
6 und 7 den Läufer mit den drei Phasen 8, 9 und Io. Der Phase 4 ist die Drosselspule
i i parallel geschaltet, die ebenso wie die Phase 4 eine Anzapfung in der Mitte
aufweist. Diesen beiden Anzapfungen wird der Strom des Gleichrichters 12 zugeführt,
der in bekannter Weise über die Drosselspule 13 und den Stromwandler 14 mit einem
lastunabhängigen und einem lastabhängigen. Stromanteil gespeist wird. Der Kondensator
15 erleichtert hierbei, ebenfalls in bekannter Weise, die Selbsterregung vom unerregten
Zustand aus. Die Anordnung hat noch den weiteren Vorteil, daß das Erregerzubehör
wesentlich kleiner wird als bei der üblichen unmittelbaren Erregung über Schleifringe,
weil in der Maschine durch das zwei-und vierpolige Feld eine Verstärkung stattfindet.
Im Läufer ist außer der Läuferwicklung noch der mit dem Läufer umlaufende Gleichrichter
16 untergebracht, der ebenso wie in der Fig. 2 b von einer Phase 8 mit dem Hilfserregerwechselstrom
gespeist wird und seinerseits die beiden Phasen 9 und, Io als Haupterregerwicklung
speist. Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Durch den Gleichrichter 12 wird in der
Ständerphase 4 ein zweipoliges Gleichstromfeld erzeugt, das in der zugeordneten
Läuferphase 8 bei einer Drehzahl von I5oo U/min einen einphasigen Wechselstrom von
25 Hz hervorbringt. Dieser Wechselstrom wird durch den Gleichrichter 16 gleichgerichtet
und der Haupterregerwicklung zugeführt. Das in dieser Wicklung entstehende Gleichstromfeld
durchsetzt die Ständerwicklung 4, 5, 6 mit 5o Hz, so daß an den Klemmen eine Spannung
von 50 Hz abgenommen werden kann. Der Umstand, daß die dem Ständer-zugeführte Gleichstromerregerlei,stung
in der Maschine verstärkt wird, wirkt sich auf das Erregerzubehör sehr günstig aus,
so daß -auch die für die Grunderregung erforderliche Drosselspule i i, die üblicherweise
den Generator schon vorbelastet, mit wesentlich kleinerer Leistung ausgeführt werden
kann und die Vorbelastung des Generators ganz wesentlich vermindert wird.
-
Bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3 sind die einzelne. Phasen im
Ständer und im Läufer noch nicht gleichmäßig beansprucht. Für den Ständer
kann
man dies dadurch erreichen, daß man jede Ständerphase mit einer Mittenanzapfung
versieht und in der gleichen Weise wie die Phase 4 mit Hilfe einer Drosselspule
und eines zugehörigen Gleichrichters erregt wie diese. Für den. Läufer kann man,
eine Schaltung anwenden, wie dies in. der Fig. 4 angedeutet ist. Die Anfänge und
Enden der vier Teilspulen einer Phase sind mit u1-x1' u2-x2 usw. bezeichnet. Die
Klemmen, x1, U2, u3 und x4 sind miteinander verbunden und an die Mittenanzapfung
einer Gleichrichterbrücke 17 angeschlossen. Die Klemmen u1 und x2 sind ebenfalls
parallel geschaltet und an die linke Klemme der Gleichrichterbrücke angeschlossen.
Ebenso führen die Klemmen x3 und u4 in Parallelschaltung an den rechten Anschluß
der Gleichrichterbrücke. Der zweipolige Strom ist nun wieder durch Pfeile mit einem
kleinen Kreis am Ende gekennzeichnet und für die eine Halbwelle eingezeichnet. Für
diesen Fall schließt sich der Strom aus den Klemmen x1 und u2 herauskommend über
die linke Gleichrichterzelle und fließt in die Klemmen u1 und x2 hinein. Die Klemmen
u3, x3, u4, x4 sind für diese Halbwelle des zweipoligen Feldes stromlos, weil die
rechte Gleichrichterzelle sperrt. Für die Gegenphase kommt der Strom aus den Klemmen
x3 und u4 heraus und fließt über die rechte Gleichrichterzelle in die Klemmen u3
und x4 hinein. Auf diese Weise entsteht in der Wicklung ein vierpoliges Feld. In
der gleichen Weise wie die Phase U-X können auch die beiden anderen Phasen geschaltet
werden, so daß alle drei Phasen in der gleichen Weise beansprucht werden.
-
Fig. 5 stellt in einer anderen Weise die gleiche Schaltung noch einmal
dar, wobei der Stromverlauf durch die einzelnen Wicklungszweige noch besser erkenntlich
ist. Fig. 6 zeigt die Schaltung der drei Phasen im Läufer.
-
Bei den bisherigen Schaltungen waren die einzelnen Wicklungszweige
als offene Wicklungen ausgeführt und wurden dann in der entsprechenden Weise mit
ihren Klemmen zusammengeschaltet. Man kann sie jedoch auch als sogenannte fortlaufende
oder geschlossene Wicklungen, ausführen, die dann lediglich an geeigneten Stellen
Anzapfun: gen erhalten. Eine derartige Wicklung ist in Fig. 7 für den Läufer dargestellt.
Es handelt sich auch hier wieder um eine Wicklung mit vierpoligem Hauptfeld und
zweipoligem Hilfsfeld. Die Gleichrichterb:rücke 17 ist in der dargestellten Weise
an die Wicklung angeschlossen. Der von der zweipoligen Erregung im Ständer erzeugte
Strom im Läufer ist wieder für eine Halbwelle durch Pfeile mit Kreis angedeutet.
Er hat z. B. für die linke und rechte Hälfte der Wicklung die Richtung von unten
nach oben. Für diesen Zeitpunkt kann sich der Strom nur über die obere Gleichrichterzelle
und die Mittenanzapfung zurückschlieBen und durchfließt die beiden oberen Viertel
der Wicklung ebenfalls von unten nach oben. Es entsteht demnach in dem linken oberen
Viertel z. B. ein Nordpol und in dem rechten oberen Viertel ein Südpol. Für die
andere Halbwelle hat der Hilfsstrom im Läufer die durch den Pfeil mit Kreuz angegebene
Richtung. Hierbei kann er sich nur über die untere Gleich= richterzelle schließen
und erzeugt z. B. in dem linken unteren Viertel einen Südpol, und in dem rechten
unteren Viertel einen Nordpol. Man erhält auf diese Weise im Läufer das gewünschte
vierpolige. Erregerfeld. Fig. 8 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig.7, jedoch auf
eine achtpolige Maschine mit vierpoligem Hilfserregerfeld angewendet. Fig. 9 zeigt
wieder eine zweipolige Läuferwicklung, bei der jedoch zwei Gleichrichterbrücken
18 und I9 vorgesehen sind, deren Mittenanschlüsse an getrennte Miittenanzapfungen
der rechten und linken Wicklungshälfte führen. Auf diese Weise ist eine unmittelbare
Verbindung der Mittenanzapfungen der beiden Wicklungshälften vermieden.. Fig. Io
zeigt den gleichen, Fall angewendet auf eine achtpolige Maschine. Fig. II zeigt
wieder die Gesamtschaltung eines Generators in ähnlicher Weise wie in Fig. 3, jedoch
weist der Läufer 7 eine geschlossene Wicklung, nach Art der Fig. 7 bis Io als geschlossene
Wicklung ausgeführt, auf. Der Ständer 3 ist wieder in der gleichen Weise geschaltet
wie in der Fig. 3, jedoch hat die Drosselspule 13 für die Grunderregung gleichzeitig
auch die Aufgabe der Überlagerung des. zweipoligen Erregerstromes mit übernommen.
- Sie hat ebenfalls eine Mittenanzapfung, bei der jedoch zum Unterschied von der
Fig. 3 kein Gleichstrom, sondern ein Wechselstrom von Netzfrequenz zugeführt wird.
Die Schaltung ist für alle drei Ständerphasen in der gleichen Weise vorgenommen.
Der Hilfserregerstrom wird dem Stromwandler I4, einen Grundanteil und einen Lastanteil
enthaltend, entnommen und erzeugt nun im zweipoligen System des Ständers einen Strombelag,
der mit einer Geschwindigkeit von 3000 U/min oder mit 5o Hz nach der einen oder
anderen Drehrichtung je nach der Schaltfolge umläuft. Demnach entsteht im Läufer
von dem zwei= poligen System herrührend- bei I5oo U/min eine Frequenz von 25 bzw.
75 Hz. Dieses zweipolige System wird dann durch den Gleichrichter wieder auf ein
vierpoliges gebracht. In Fig. 12 ist im wesentlichen die gleiche Anordnung dargestellt,
doch fällt hierbei die Mittenanzapfung an der Drosselspule 13 fort und die Überlagerung
des Hilfserregerstromes geschieht dadurch, daß - jede Phase der Ständerwicklung
aus zwei parallelen Zweigen besteht, denen in der Mitte der Erregerstrom zugeführt
wird. Zum Unterschied von Fig. II wird der Hilfserregerstrom wieder als Gleichstrom
über den Gleichrichter 12 zugeführt. Die Zuführung über den Gleichrichter hat den
Vorteil, daß das Erregerzubehör noch kleiner wird als in der Fig. II. Denn bei der
Anordnung nach Fig. I z ist die dem Ständer zuzuführende Hilfserregerleistung verhältnisgleich
der Haupterregerleistung im Läufer und dem Verhältnis der Frequenzen., z. B. 5o
: 75. Dazu kommt noch die ohmsche Verlustleistung, die der Hilfserregerstrom in
der Ständerwicklung verursacht. Bei der Anordnung nach. Fig. 12, muß dagegen der
Gleichrichter i2 nur die ohmsche Erregerleistung .zuführen, die der Hilfserregerstrom
in
der Ständerwicklung verursacht. Dementsprechend wird das Erregerzubehör kleiner
als im Fall der Fig. II.
-
In Fig. I3 ist schließlich noch dargestellt, wie man das Polzahlverhältnis
vom Haupt- zum Hilfssystem auch anders als mit ¢ : 2 ausführen kann, z. B. mit ¢
: r2 bzw. 2 : 6. In Fig. I3 a ist ein Wicklungsstrang der Ständerwicklung und in
Fig. r3 b ein Wicklungsstrang der Läuferwicklung dargestellt. Das Blechpaket habe
wieder vierundzwanzig Nuten, so daß sich für eine sechspolige Wicklung ein Schritt
von I-¢ und für eine zweipolige Wicklung ein Schritt von I-I3 ergibt. Die Wicklung
ist nun so ausgeführt, daß die zweipoligen Windungen in den Nuten I und I3 liegen,
die sechspoligen Windungen in den Nuten 5, 9, I7 und 2I. Die Windungen sind in der
aus den Fig. I3 a und I3 b ersichtlichen Art und Weise geschaltet. An den Klemmen
U-X der Ständerwicklung wird nun. ein Gleichstrom zugeführt. Dadurch entsteht in
der Wicklung eine Stromdurchflutung, die durch die Pfeile mit Kreis am Ende gekennzeichnet
ist, d.. h., die Ständerwicklung bildet ein sechspoliges Gleichfeld aus. Wenn nun
der Läufer mit 3ooo U/min. angetrieben wird, entsteht in der Läuferwicklung zwischen
den Klemmen U-X eine Spannung von I5o Hz. Diese wird über dem Gleichrichter 2o gleichgerichtet
und an den Punkten Um und Xm wieder der Läuferwicklung zugeführt, die nun mit dem
gleichgerichteten Strom ein zweipoliges Feld erzeugt. Dieses Feld hat nun an din.
entsprechenden Ständerklemmen Um Xm eine Spannung von. 5o Hz zur Folge, die zur
Speisung der angeschlossenen Verbraucher verwendet werden kann. Der Einfachheit
wegen ist nur ein Wicklungsstrang aufgezeichnet. Die vollständige Wicklung erhält
man durch Hinzunahme der übrigen Leiter, wie dies für andere Zwecke bereits bekannt
ist.
-
Grundsätzlich lassen sich alle polumschaltbaren Wicklungen in der
im vorausgegangenen beschriebenen Weise für die vorliegende Erfindung verwenden,
so daß viele Möglichkeiten für die Herstellung schleifringloser Synchronmaschinen
zur Verfügung stehen. Man kann sich daher allen Verhältnissen leicht anpassen.
-
Die Möglichkeit, aus einem normalen Schleifringläufer lediglich durch
Verlegung einiger Schaltverbindungen eine schleifringlose Synchronmaschine herzustellen,
ist als besonderer Vorteil dieser Lösung anzusehen, weil man ohne weiteres bereits
vorhandene Maschinen nach geringen Änderungen für den vorliegenden Zweck verwenden
kann. Der bisher für die Schleifringe benötigte Raum kann für die Unterbringung
der Gleichrichter verwendet werden, für die ebenfalls günstige Voraussetzungen gegeben
sind, da sie auf dem umlaufenden Läufer gut gekühlt sind.
-
Wie bei anderen Synchronmaschinen, kann man zur Vermeidung von Pendelungen
Dämpferwicklungen unterbringen. Man muß dann nur dafür sorgen, daß sie nur auf die
Hauptfrequenz und nicht auf die Erreger-Hilfsfrequenz ansprechen. Dies geschieht
z. B. in der Weise, daß sie nur aus einzelnen Kurzschlußwindungen besteht, die den
Schritt der Hauptwicklung aufweisen. Man kann auch an geeigneten Stellen Kurzschlußverbindungen
anbringen, die die Ausbildung eines Querfeldes ermöglichen, ohne das Hauptfeld zu
stören. In. Fig. I¢ ist z. B. eine solche Möglichkeit angedeutet. Die Figur entspricht
im wesentlichen der Fig.7, stellt demnach eine vierpolige Läuferwicklung mit dem
Gleichrichter I7 dar. Potentialgleiche Punkte in der Mitte der verteilten Polwicklungen.
sind durch Leitungen 2I, 22 verbunden und lassen demnach die Ausbildung eines Querfeldes
zu, ohne das Längsfeld zu stören.
-
Maschinen nach vorliegender Erfindung können überall da mit Vorteil
verwendet werden, wo Schleifringe mit Bürsten und offenen Kontakten aus betrieblichem.
Gründen nicht verwendet werden können oder sollen. Hierher gehören z. B. Generatoren
für Höhenflugzeuge, für Schiffe, für chemische Betriebe, für bedienungslose Anlagen.,
wie z. B. Verstärkerämter in der Nachrichtentechnik, usw. Die Maschine kann sowohl
generatorisch als auch motorisch betrieben. werden. Statt zweier sich gegenseitig
nicht beeinflussender Felder können auch mehr als zwei Felder in der Maschine erzeugt
werden, wobei jedes Feld zur Verstärkung der folgenden dient. Man muß jedoch dann
weitere Wicklungen im Ständer und Läufer vorsehen. Man kann z. B. im Ständer zu
der vorhandenen 4/2poligen Wicklung noch eine I6/8polige Hilfswicklung hinzufügen.
Diese erregt man zunächst achtpolig im Ständer mit Gleichstrom, erhält dann in dem
zugehörigen achtpoligen. Läufersystem bei I5oo U/min Ioo Hz, die auf dem Läufer
gleichgerichtet werden und mit dem zugehörigen I6poligen Läufersystem im Ständer
2oo Hz erzeugen. Diese werden dann gleichgerichtet und dem zweipoligen Ständersystrem
zugeführt. Dieses erzeugt dann im zugehörigen zweipoligen Läufersystem 25 Hz, die
nach Gleichrichtung im Läufer mit dem vierpoligen Läufersystem im vierpoligen Ständersystem
5o Hz erzeugen. Man erhält auf diese Weise eine mehrstufige Verstärkung, so daß
das schließlich noch benötigte Erregerzubehör äußerst klein wird.