DEL0017166MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 18. November 1953 Bekanntgemacht am 31. Oktober 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Spannungsregelung bei selbsterregten Asynchrongeneratoren ist schwierig bei Maschinen, deren Drehzahl stark variiert, beispielsweise bei der Verwendung derselben als Fahrzeug-Lichtgeneratoren. Die Lösung dieses Problems ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Fig. ι zeigt den geblechten Stator körper ι einer selbsterregten Lichtmaschine für Fahrzeuge aller Art im Querschnitt. Die normalen Wicklungsnuten 2 sind für die Kondensator-Selbsterregungswicklung ι und die nicht dargestellte Arbeitswicklung vorgesehen. In den Zähnen 3 ist in runden, geschlossenen Nuten 4 die Vormagnetisierungswicklung angebracht, die, beispielsweise mit Gleichstrom erregt, einen zirkulären vormagnetisierenden Fluß 5 erregt, der nur in einem Zahn gestrichelt mit Pfeilen dargestellt ist.

Fig. 2 veranschaulicht beispielsweise nach Kurve II die Induktion S3 des Vormagnetisierungsflusses 5 (Fig. 1) als Funktion der Feldstärke ξ> sowie die Induktion S3 des Hauptflusses in Abhängigkeit der Feldstärke $ nach Kurve I. Durch die Vormagnetisierung nach Kurve I (Fig. 2) mit der Wicklung in den Nuten 4 (Fig. 1) wird die Permeabilität μ so stark herabgesetzt, daß der Hauptfluß bzw. Drehfluß Φ der Ma-. schine nach Kurve I (Fig. 2) in seinem effektiven Wert nur den Betrag nach Kurve III (Fig. 2) aufweist, dessen Induktion S3 in Abhängigkeit.. von der Feldstärke ξ> aufgetragen ist. Die Kurve III stellt den

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Differenzbetrag der Induktion 33 zwischen den beiden Kurven I und II in Abhängigkeit von der Feldstärke ξ> dar.

Fig. 2 a zeigt die Scherungskurve für den Dreh- oder Hauptmagnetisierungspfad, ebenfalls die Induktion S3 in Abhängigkeit von der Feldstärke $.

Durch die Herabsetzung der Induktion 23 des Hauptflusses Φ nach Kurve I (Fig. 2) auf den Wert nach Kurve III (Fig. 2) ändert sich auch die durch den Drehfluß Φ induzierte Maschinenspannung U in der Kondensator- bzw. Schwingkreiswicklung und der mit dieser Wicklung verketteten nicht dargestellten Arbeitswicklung nach der Gleichung

U =

dt\

in Volt, d. h., die Maschinenspannung U kann in ihrem Größenwert innerhalb des Differenzbetrages der Flußänderung zwischen den Kurven I und III (Fig. 2) mit den Mitteln nach dem Erfindungsgegenstand beliebig geregelt werden.

Da sich mit der Änderung der Maschinenspannung durch Vormagnetisierung und Herabsetzung der Permeabilität μ des induzierten Flußleiters auch die Induktivität L des Selbsterregerschwingkreises ändert und etwa

ist, so kann dadurch bei Stromresonanz des Schwingkreises mit konstanter Kapazität C die Maschinendrehzahl in weiten Grenzen reguliert werden. Denn die Kreisfrequenz ω ist bekanntlich dem Drehfeld und somit der Rotordrehzahl proportional. Bei der Asynchronmaschine ist jedoch nur die Schlupf frequenz in die Rechnung einzubeziehen.

Mit zunehmender Drehzahl η muß somit der zunehmenden Kreisfrequenz co entsprechend die Induktivität L der Schwingkreiswicklung 1 wie folgt verringert werden.

^{ω% C} = T" ·

Dies trifft jedoch nur im ideellen Falle zu, während in der Praxis die Verluste und der Schlupf in Rechnung gezogen werden müssen. Die Verluste wirken dämpfend auf den Schwingkreis im Verhältnis

ω r =

YLC

wobei der Dämpfungsfaktor sich zugunsten der Induktivität L auswirkt und zuungunsten der Kapazität C, indem bei konstanter Kapazität mit steigender Drehzahl L nicht quadratisch verringert zu werden braucht. Ebenfalls ist die Schlupffrequenz von der Drehzahl η des Rotors in Abzug zu bringen, um die Kreisfrequenz ω zu ermitteln.

In der Erregerwicklung I fließt der Erregerstrom

um — gegen U nacheilend.

Im Kondensatorkreis fließt ein Strom . gleicher ■ _r 'Stärke: ■■■■-■■- : ... ■.<:■· .: .- ^

I_C=U ω C ,

um — gegen U voreilend.

Fig. 3 zeigt die teilweise Ansicht eines Statorbleches 1 für beispielsweise eine selbsterregende Asynchronmaschine mit variierender Drehzähl·... Zwischen ' den Wicklungsnuten 2 sind die Zähne 3 so ausgeführt, daß sich gegen den Eisenrücken je ein Wicklungsloch 4 in denselben befindet. Dieses Wicklungsloch ist tropfenförmig ausgebildet und dient zur Aufnahme der Vormagnetisierungswicklung, die den Fluß 5, wie die punktierte Linie mit Pfeilen andeutet, erregt, analog der Ausführungsform nach Fig. 1 sowie der Wirkungsweise bei demselben.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines solchen Statorbleches, dessen Wicklungsnuten und Zähne analog denen nach Fig. 3 bezeichnet sind. In den Zähnen 3 sind gegen den Eisenrücken dreieckförmige Löcher 4 Und im Eisenrücken selbst noch flache Löcher 4' gestanzt, die zur Aufnahme der Vormagnetisierungswicklung dienen. Da die Löcher 4 und 4' nahe beieinanderliegen, kann eines als Hin- und das andere als Rückleiter der Vormagnetisierungswicklung dienen, wie beispielsweise an zwei Nuten dar- 90' gestellt ist, wobei die punktierten Linien 5 die Richtung des zirkulären Flusses mit Pfeilen andeuten.

Fig. 5 zeigt den Stator einer Maschine nach dem Erfindungsgegenstand, wie bereits beschrieben. Die Löcher zur Aufnahme der Vormagnetisierungswicklung sind jedoch nicht in den Zähnen 3 zwischen den Nuten 2 angebracht, sondern am äußeren Rand des induzierten Blechpaketes, und sie ragen teilweise in das massive Eisen des Gehäuses 6 hinein. Der mit punktierten Linien und Pfeilen dargestellte Vormagnetisierungsfluß schließt sich im Gehäuse 6 und magnetisiert den Eisenrücken der Bleche 1 vor. Die Löcher 4 können auch so ausgeführt sein, daß sie ganz im Blechpaket im Zahnfluß schlitzförmig angeordnet sind, so daß das Gehäuse mit als Rückschluß für den Vormagnetisierungsfluß dient und der Zahnkopf den anderen Rückenschluß bildet. In der linken Hälfte der Fig. 5 ist beispielsweise ein Zahn mit einer solchen Nut 7 dargestellt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die nicht dargestellte Wicklung vor der Einbringung des Blechpaketes 1 in das massive Gehäuse 6, aus fertigen Spulen bestehend, eingelegt werden kann. .Diese Wicklung bewirkt eine kräftige Vormagnetisierung der Zahnflanken und des Zahnkopfes. Ferner schließt sich der .Vormagnetisierungsfluß durch den Eisenrücken über einen sehr kleinen Luftspalt mit großem Querschnitt im Gehäuse 6.

Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Stators einer mit dem Vormagnetisierüngsfluß regulierten Wechsel- oder Drehstrommaschine, beispielsweise mit Selbsterregung. Die Blechpakete ι mit den Nuten 2 sind aus rechteckigen Blechscheiben um die Nuten 2 hufeisenförmig gebogen. Die Ringe 3 halten den Blechkörper fest zusammen. Wie in der Längsschnittdarstellung Fig. 6 a zu ersehen ist, sind die Eisenrücken der Blechpakete 1 mit Rillen 5 versehen, in denen sich die Vor-

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magnetisierungswicklung befindet.. Der Fluß Φ der Wicklung ist in seinem Verlauf mit punktierten Linien 6 und Pfeilen angedeutet und verläuft in axialer Richtung der Blechpakete ι und schließt sich im Rücken derselben über das Gehäuse 4 aus massivem Eisen. Die Lücken 3 zwischen den Blechpaketen 1 und

: den Ringen 4 können mit ferromagnetische!!! Stoff ausgefüllt werden. Fig. 6b und 6c zeigen, ein Statorsegment ι mit der Nut 2 für die Arbeitswicklung und den Lücken 7 für die Wicklung zur Quermagnetisierung zwecks Regulierung.

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer selbsterregten Wechselstrommaschine mit Schwingkreiserregung im Stator und Kurzschlußrotor 7. Die dreiphasige Statorwicklung 1 ist beispielsweise in Dreieck geschaltet und an den Verkettungspunkten mit den in Stern geschalteten Kondensatoren 2 verbunden. Mit der Wicklung ι sind in magnetischer Verkettung die Wicklungen 3 elektrisch getrennt angeordnet, deren Mittelpunkte an der Masse beispielsweise des Fahrzeuges liegen. Die Enden der Wicklungen 3 sind je an zwei Gleichrichtern, beispielsweise Trockengleichrichtern, in Gegentaktschaltung angeschlossen. Die Punkte 10 der Gleichrichter sind miteinander verbunden und bilden den +-Pol. Die negativen Widerstände 8 sind mit einem Pol an den +-Pol 10 der Gleichrichter 6 angeschlossen, mit dem andern Pol über den Einstellwiderstand 9 mit der Vormagnetisierungswicklung 4 verbunden, deren Ende am Pol (der Masse) liegt.

Sobald nach Erregung der Maschine die Gleichrichterspannung den Sollwert erreicht hat, beginnt der Strom in den negativen Widerständen 8 mit steiler Stirne anzusteigen. Dadurch wird der Vormagnetisierungsfiuß durch die Wicklung 4 im magnetischen Eisen des Stators erregt und die Gleichrichterspannung im Bereiche des Sollwertes unter Kontrolle gehalten.

Die Batterie 10 liegt am +-Pol der Gleichrichter und am Pol durch Verbindung mit der Masse. Infolge der mittels der negativen Widerstände feinregulierten, konstanten Ladespannung der Generatoranlage mit Gleichrichtern sinkt der Batterieladestrom mit zunehmendem Ladezustand derselben auf ein Minimum herab. Die Batterie wird somit durch »Schwebeladung«, bei richtiger Einstellung mit dem Widerstand 12, auf maximalem Ladezustand gehalten.

Damit bei Einschaltung der \⁷erbraucher 11 die

Batterie IO" mit voller Kapazität in Reserve bleibt, ist die Kompoundwicklung 5 im Stator des Generators so angebracht, daß der sie durchfließende Belastungsstrom der Verbraucher (Lampen) die von der Wicklung 4 erregte Vormagnetisierung so stark aufhebt, daß dadurch eine Leistungserhöhung entsprechend der jeweils zugeschalteten Belastung bewirkt wird. Bei Abschaltung der Last oder eines Teils derselben, fällt somit die Vormagnetisierung wieder ein und stellt den Gleichgewichtszustand zwischen Hauptfluß und der zirkulären Vormagnetisierung wieder her.

Fig. 8 zeigt ein Schaltbild einer beispielsweise mit Schwingkreisen selbsterregten Asynchronmaschine mit.

dem Kurzschlußrotor 7. Die dreiphasige Statorwicklung ι ist beispielsweise in Stern geschaltet und mit den Schwingkreis-Kondensatoren 2 verbunden. Die mit der Wicklung 1 verkettete Arbeitswicklung 3 ist mit den Gleichrichtern 6 in Dreiphasen-Graetzschaltung verbunden und speist über das Amperemeter 13 die Batterie 10 mit dem Ladestrom. Der

Pol des Gleichrichters 6 und der Pol der Batterie

10 liegen an der Masse. Im Stator ist noch die beispielsweise dreiphasig ausgeführte Wicklung 5 an- ' gebracht, welche für kleine Spannung ausgelegt ist und über die negativen Widerstände 8 die Vormagnetisierungswicklung 4 in Richtung des einfachen Pfeiles erregt, wenn die Sollspannung erreicht ist. Durch die Vormagnetisierung der im aktiven Eisen der Maschine liegenden Wicklung 4 wird ein weiteres Ansteigen der Spannung in den Wicklungen i, 3 und 5 verhindert. Da die negativen Widerstände 8 den Strom der Wicklung 5 von einer bestimmten Spannung an nur in einer Richtung wirksam durchlassen und in der anderen Richtung nahezu sperren, so fließt in der Vormagnetisierungswicklung 4 ein Vormagnetisierungsstrom nach der Dreiphasen-Einwegschaltung mit etwa 18% Welligkeit, also ein stark pulsierender Gleichstrom. Durch diesen pulsierenden Gleichstrom wird der zirkuläre Vormagnetisierungsfluß als pulsierender Fluß erregt. Diese pulsierende Längs- oder Quermagnetisierung der mit Stromresonanz erregten Schwingkreis-Stator-Hauptflußerregung hat eine Störung der .Schwingkreisresonanz zur Folge.

Diese Resonanzstörung wird noch erhöht, wenn beispielsweise in der Vormagnetisierungswicklung 4 ein Wechselstrom mit steil ansteigenden Flanken der Stromkurve fließt. Das kann dadurch erzielt werden, wenn die negativen Widerstände 8 so geschaltet ^: werden, daß der Strom der Wicklung 5 in beiden Richtungen (Fig. 8 a) in der Vormagnetisierungswicklung 4 fließt. Sobald nach erfolgter Selbsterregung der Schwingkreise die Spannung in der Wicklung 5 den Sollwert erreicht hat, beginnt in der Wicklung 4 ein Strom mit der 3. Harmonischen der Schwingkreisfrequenz zu fließen und erregt den Vormagnetisierungsfluß. Dieser stört die Resonanz der Erregerschwingkreise, so daß dadurch ein Spannungsabfall eintritt und die Spannung in der .Wicklung 5 an die untere Grenze des Sollwertes führt. Dadurch läßt der Stromdurchgang in den negativen Widerständen sofort nach, bis sich der Gleichgewichtszustand hergestellt hat.

Die selbsterregenden Schwingkreisgeneratoren können in bezug auf Anordnung der Wicklung so ausgeführt werden, daß beispielsweise nach Fig. 8 die no Arbeitswicklung 3 in anderen Nuten liegt als die Erregerwicklung ι der Schwingkreise. Dadurch wird die Streuung zwischen den beiden Wicklungen 1 und 3 erhöht und hat Glättung der Oberwellen des Gleichstromes zur Folge. Durch diese Maßnahme werden zusätzliche Drosselspulen überflüssig.

Um beispielsweise kleinere Maschinen nach dem Erfindungsgegenstand zu vereinfachen, insbesondere wenn diese hoher Polzahl bedürfen, ist es zweckmäßig, die mehrphasigen Erreger- und Arbeitswicklungen so anzuordnen, daß mehrere Spulenseiten, beispielsweise zweier Phasen, in einer Nut liegen. Durch diese Maßnahme kann die Statornutenzahl auf die Hälfte reduziert werden, um mit gleicher Nutenzahl die doppelte Polzahl zu erreichen. Diese Wicklungsanordnung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, da sie eine

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dem Fachmann geläufige Zweckmäßigkeitsmaßnahme ist.

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsterregter Asynchrongenerator mit Kurzschlußanker und wenigstens einer Arbeits- und einer mit Kondensatoren verbundenen Erregerwicklung, gekennzeichnet durch eine weitere Wicklung, die derart angeordnet ist, daß der durch dieselbe im stromdurchflossenen Zustand erzeugte magnetische Fluß das aktive Eisen quer zur Hauptnußrichtung vormagnetisiert.
2. 2. Asynchrongenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung im induzierenden Teil des magnetischen Kreises angeordnet ist.
3. 3. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung im induzierten Teil des magnetischen Kreises angeordnet ist.
4. 4. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung teilweise im induzierenden und teilweise im induzierten Teil des magnetischen Kreises angeordnet ist.
5. 5. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung im geblechten, aktiven Eisen untergebracht ist.
6. 6. Asynchrongenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung im passiven Eisen (Gehäuse) untergebracht ist.
7. 7. Asynchrongenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung in geschlossenen, zwischen den die Arbeitsund die Erregerwicklung enthaltenden Nuten angeordneten Nuten liegt.
8. 8. Asynchrongenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung in am äußeren Umfang des Statorpaketes angeordneten Nuten liegt.
9. 9. Asynchrongenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Statoreisen aus hufeisenförmigen Blechpaketen mit axialer Schichtung zusammengesetzt ist, die am äußeren Umfang quer zu den Nuten der Arbeits- und Erregerwicklung verlaufende Nuten zur Aufnahme der Vormagnetisierungswicklung aufweisen.
10. 10. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Vormagnetisierungswicklung mit Gleichstrom erfolgt.
11. 11. Asynchrongenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Vormagnetisierungswicklung mit Wechselstrom erfolgt.
12. 12. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Vormagnetisierungswicklung mit pulsierenden Stromstößen erfolgt.
13. 13. Asynchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung von einem der Generatorspannung bzw. Generatorstrom proportionalen Strom gespeist wird.

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschrift Nr. 824 365;
    »Die Mathematik des Funktechnikers«, Stuttgart

    1940, s. 349/350.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen