EP2406871A1 - Rotierender transformator zur versorgung der feldwicklung in einer dynamoelektrischen maschine - Google Patents

Rotierender transformator zur versorgung der feldwicklung in einer dynamoelektrischen maschine

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Publication number
EP2406871A1
EP2406871A1 EP10709470A EP10709470A EP2406871A1 EP 2406871 A1 EP2406871 A1 EP 2406871A1 EP 10709470 A EP10709470 A EP 10709470A EP 10709470 A EP10709470 A EP 10709470A EP 2406871 A1 EP2406871 A1 EP 2406871A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
primary
windings
rotation
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10709470A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hossein Safari Zadeh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP2406871A1 publication Critical patent/EP2406871A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/0094—Structural association with other electrical or electronic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/26—Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • H02K11/042—Rectifiers associated with rotating parts, e.g. rotor cores or rotary shafts

Definitions

  • the present invention relates to a device for transmitting electrical energy from a stator to a rotor. Such a device is also referred to as a rotating transformer.
  • the invention also relates to a dynamoelectric machine equipped with such a rotary transformer.
  • Electric generators constructed as synchronous machines have one or more field windings (field windings) on the rotor (rotor).
  • An excitation winding is a conductor arrangement which, in operation, generates a DC magnetic field which rotates with the rotor in order to induce an AC voltage in the windings of the stator (stator).
  • brushes and slip rings may be present.
  • a so-called brushless exciter is often provided in which an auxiliary generator designed as an external pole generator is provided, which supplies the excitation winding of the actual generator with electricity.
  • a rotor winding mounted on the rotor rotates in a static magnetic field generated in the stator.
  • the voltage generated in the rotor winding of the auxiliary generator is after appropriate rectification to supply the field winding of the actual generator available.
  • such an auxiliary generator requires a relatively large amount of space.
  • the proposed there rotary transformer comprises two concentric around the
  • Rotary axis wound coils which face axially along the axis of rotation.
  • the transformer also includes two wound around the rotor axis, concentric windings, wherein the primary winding is disposed radially outside the secondary winding and this partially surrounds.
  • this arrangement also greatly restricts the possible designs of the dynamoelectric machine.
  • a very specific sequence must be observed during assembly.
  • a device for transmitting electrical energy from a stator to a rotor comprising: an AC voltage source for generating an AC voltage; a stator having a primary winding arrangement which is electrically connected to the
  • AC power source is powered; and a rotor having a secondary winding assembly having one or more secondary windings inductively coupled to the primary winding assembly, the rotor being rotatable about an axis of rotation and defining a direction of rotation.
  • the primary winding arrangement comprises at least two, preferably three or more, primary windings which are not penetrated by the axis of rotation of the rotor, wherein each of the primary windings extends over a predetermined sector (angular range) with respect to the direction of rotation of the rotor, and wherein the primary windings are arranged offset with respect to the direction of rotation.
  • each primary winding is also intended to include one embodiment of a two-half coil, which are connected together during assembly and then form a winding.
  • each primary winding extends over a sector of at most 180 °, and the primary windings are not overlapping and in particular with respect to the direction of rotation arranged one behind the other.
  • the transformer does not need to be located at one end of the rotor be, as is the case with solutions from the prior art.
  • the space requirement is also significantly lower, so that the rotor does not need to be extended unnecessarily. In particular, this contributes to the fact that a transformer with relatively high frequencies is operable, which allows a high power density.
  • a uniform transmission and higher performance is ensured by the fact that not only a single primary winding is present, but that several such primary windings are distributed over the circumference.
  • a winding in the present context is to be understood as meaning any loop-type conductor arrangement which is suitable for being flowed through by a current and thereby generating a magnetic field or being suitable for being permeated by a magnetic flux and owing to changes in this flux to deliver an induced voltage.
  • a winding can be traditionally configured as a wire coil with one or more windings. But it can also be e.g. consist of a single conductor loop and / or be constructed of metal rods, bands or hollow conductors, which can be flowed through for the purpose of cooling water or gas.
  • each of the primary windings is disposed on a separate magnetic core.
  • each primary winding is easily assembled separately with its core.
  • the core can have different shapes depending on the specific requirements.
  • the core in cross section may have an E-shaped profile, a U-shaped profile or in the simplest case an I-shaped profile.
  • the magnetic core may comprise a plurality of separately manufactured core segments, each of these core segments extending over only a portion of the sector (a partial angle range) of the associated primary winding.
  • all primary windings have the same dimensions and are preferably constructed identically. In order to ensure a uniform energy transfer, preferably at least three primary windings are present, and the primary windings are distributed uniformly with respect to the direction of rotation.
  • the primary and secondary winding arrangement preferably face each other radially, that is to say that the surfaces defined or enclosed by the windings have a surface normal which extends substantially in the radial direction.
  • the primary and secondary windings are preferably each substantially on a circular cylindrical surface.
  • the magnetic field passing through the windings preferably overcomes the gap between the primary and secondary circuits essentially in the radial direction, that is, the inductive coupling between the primary and secondary windings takes place substantially radially.
  • the primary and the secondary winding arrangement axially, spaced from the axis of rotation, facing each other.
  • Each primary winding preferably has two substantially parallel sections, which extend substantially in the circumferential direction (direction of rotation) and are in opposite directions flowed through by electricity, the length of these sections is considerably greater than their distance, that is, the winding has a along the rotational direction or circumferential direction elongated, curved shape.
  • the winding has a along the rotational direction or circumferential direction elongated, curved shape.
  • other forms of winding are possible.
  • the primary winding assembly is preferably disposed in a region radially surrounding the secondary winding assembly, and the primary and secondary winding assemblies are preferably disposed on the circumference of the rotor.
  • each of the primary windings preferably forms each of the primary windings part of a resonant resonant circuit, and the AC voltage source is designed such that it is in operation an AC voltage with an operating frequency in the Area generates a resonance of the resonant circuit.
  • An example of a resonant-powered transformer is given, for example, in the following document: R. Mecke and C.Rathge, High frequency resonant inverter for contactless energy transmission over large air gaps, IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC), 2004, Volume 3 , pp. From 1737 to 1743.
  • each primary winding may be part of a separate resonant circuit, or several or all primary windings may be interconnected to form a single resonant circuit.
  • the operating frequency of the transformer is preferably in the medium to high frequency range, in particular in the range above about 400 Hz.
  • the AC voltage source is accordingly designed to be an AC voltage with such
  • AC sources are from the
  • the operating frequency is about 1 kHz to 20 kHz, but it can also exceed this range and reach 50 kHz or more, for example.
  • the choice of the working frequency occurs among other things depending on the
  • the secondary array has at least two
  • Secondary windings are arranged offset from one another with respect to the direction of rotation.
  • a plurality of secondary windings of the same dimensions and preferably also of the same construction can be distributed uniformly in the circumferential direction or in the direction of rotation.
  • the invention further relates to a dynamoelectric machine, in particular an electric generator in the form of a synchronous machine, whose field winding is fed by a device for energy transmission, as indicated above.
  • the dynamoelectric machine comprises for this purpose at least one exciter winding connected to the rotor for generating a magnetic field rotating with the rotor and at least one rectifier device connected to the rotor.
  • the secondary winding assembly is electrically connected to the rectifier means to rectify the secondary voltage induced in the secondary winding assembly, and the rectifier means is electrically connected to the field winding for feeding the rectified winding with the rectified secondary voltage.
  • the dynamo electric machine may also have a fan connected to the rotor.
  • the secondary winding assembly may be disposed in a region of the rotor, which lies with respect to the axial direction between the field winding and the fan.
  • the proposed exciter power supply allows a great flexibility in the supply of the exciter.
  • the dynamoelectric machine it is possible for the dynamoelectric machine to have two or more excitation windings which are fed separately from different secondary windings.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a rotating transformer according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the primary winding assembly of the rotary transformer of FIG. 1;
  • FIG. Fig. 3 is a schematic perspective view of a single segment of
  • FIG. 4 is an illustration of the connection between two consecutive
  • Fig. 5 is an electrical circuit diagram for a rotary transformer with two
  • Fig. 6 is a schematic illustration of the arrangement of a rotating drum
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal section through a rotating transformer according to a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 8 is an illustration of a rotor wound on a core for the
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the rotor with core and secondary windings arranged thereon; such as
  • Fig. 10 is a schematic representation of the complete secondary winding assembly with core, secondary windings and end rings.
  • FIG. 1 schematically illustrates a first embodiment of the present invention.
  • a rotor 1 which is indicated only very schematically in FIG. 1, is rotatably mounted about a rotation axis 11.
  • a rotatable transformer having a primary side 3 and a secondary side 2.
  • the secondary side 2 is fixed to the circumference of the rotor 1 and rotates with this, while the primary side 3 is stationary.
  • the primary side 3 is fed by an AC voltage source 4 in the form of an inverter or inverter with a primary voltage in the medium-frequency range (about 2 kHz to 50 kHz).
  • the secondary side 2 comprises a magnetic core 21 which is constructed in a manner known per se from iron sheets in order to minimize eddy current losses.
  • the magnetic core 21 has an E-shaped profile in cross-section, which two in Defined circumferential direction (direction of rotation) extending to the radial outside open, parallel grooves. In these grooves secondary windings 22 are inserted.
  • Several identical secondary windings 22 are arranged distributed over the circumference of the rotor one behind the other, wherein each of these secondary windings 22 extends only over a certain sector (angular range) of the circumference.
  • the core 21 is repeatedly interrupted at least so far with respect to the direction of rotation that the secondary windings 22 can be closed in the region of these interruptions.
  • each secondary winding 22 is assigned its own core 21.
  • the secondary windings 22 each include a curved surface whose surface normal points radially outward. In order to achieve a good balance of the rotor 1, preferably at least three secondary windings 22 are uniformly distributed over the circumference.
  • the secondary windings 22 are connected via only schematically indicated lines 23 with a likewise only schematically indicated rectifier device 24, as is known per se from the prior art, to rectify the secondary winding induced in the secondary windings 22.
  • the output of the rectifier device 24 is connected to an exciter winding arrangement, not shown in FIG. 1, which is also arranged on the rotor 1, and feeds the exciter windings with the rectified secondary voltage.
  • the primary side is made up of three identical segments uniformly distributed around the circumference of the rotor and located radially outside the secondary windings in an area surrounding the secondary windings.
  • Each of these segments comprises a magnetic core 31 which has a profile with an E-shaped cross-section and thereby defines two parallel grooves extending along the circumferential direction and radially inwardly open. In the two grooves of each segment, a primary winding 32 is inserted.
  • Each primary winding 32 consists in the present example of four turns (see Fig. 1), but can of course also more or fewer turns, in the extreme case only include a single turn. It has an elongate, substantially rectangular-curved basic shape with the long sides of the rectangle running along the circumferential direction and being inserted in the grooves of the core 31, while the short sides connect these two long sides in the axial direction and outside the core 31 run. Overall, this results in a respect to the axial direction very narrow design of each segment.
  • the curved surface enclosed by the primary winding 32 has a surface normal which points everywhere in the radial direction, ie the primary windings are radially opposite the secondary windings, the pole faces of the cores of the primary and secondary sides point in the radial direction, and the magnetic flux between Primary and secondary side overcomes the gap between these pole faces substantially in the radial direction.
  • Each of these core segments 311, 312 has a U-shaped cross-section and is usually formed from sheets to minimize eddy current losses.
  • two core segments 311, 312 are arranged side by side in the axial direction, so that such a pair of segments forms an overall E-shaped cross-section.
  • a plurality of these E-shaped pairs are arranged one behind the other in the circumferential direction so as to form the entire magnetic core of the primary side.
  • gaps may occur between adjacent core segment pairs 311, 312 in the circumferential direction due to the curvature.
  • these are not critical to the operation of the transformer, since the magnetic field lines follow substantially the U-shape of each individual core segment and thus no significant magnetic field acts in the circumferential direction.
  • the magnetic flux need not overcome the gaps between successive core segments in practice, so that these gaps remain without appreciable influence on the operation.
  • a gapless arrangement of the core segments 311, 312 is preferred, which is achieved by a shaping of the core segments 311, 312 adapted to the curvature of the stator.
  • the core 31 with the primary winding 32 inserted therein is by a housing acting bracket 33 fixed.
  • the holder 33 comprises two part-shell-shaped halves, which are arranged axially next to one another. By screws 34, which are shown for the sake of clarity only in FIG. 1, the two halves are held together axially and exert a clamping force on the core 31 in the axial direction.
  • the holder in each case has connecting flanges 37 whose surface normal points in the circumferential direction, the connecting flanges 37 of adjacent holders facing one another along the circumferential direction and being connected to one another by means of screws 38 shown only in FIG.
  • FIG. 5 A schematic electrical circuit diagram for a transformer according to the invention is shown in FIG. 5.
  • the primary side 3 has only two primary windings 32.
  • the secondary side 2 has in this example, four secondary windings 22, which are each provided with three terminals.
  • the secondary windings 22 are inductively coupled to the primary windings 32 via a common magnetic core 21 of the secondary side and cores 31 of the primary side.
  • the middle terminals of the secondary windings 22 are connected together and form a first pole of a DC intermediate circuit 25.
  • the other two terminals of the secondary windings 22 are connected via diodes, which together form a rectifier arrangement 24, with the second pole of the intermediate circuit 25.
  • the field winding not shown here is fed.
  • each of the two primary windings 32 is supplemented by a capacitor 36 to a resonant circuit whose resonant frequency is given in a known manner by the inductance of the primary winding 32 and the capacitor 36.
  • the AC voltage source not shown in FIG. 5, with which the thus completed primary circuit is supplied, is tuned with its operating frequency to this resonance frequency, ie it operates the primary circuit at or near the resonance frequency. While a series resonant circuit is shown in FIG. 5, the resonant circuit can also be designed as a parallel resonant circuit or, particularly preferably, in a combination of series-connected and parallel-connected capacitances.
  • FIG. 6 illustrates how a transformer of the type proposed here can be arranged in a space-saving manner between a so-called rotor cap 13 and the fan 6 of an electrical generator.
  • the here only partially and schematically illustrated rotor 1 carries a in Fig. 6 only indicated exciter winding 12 to produce a rotating with the rotor 1 magnetic field. This generates in induction coils, not shown, which are connected to a stator 5, an induced voltage.
  • the area of the rotor 1 in which the field winding ends is covered with the rotor cap 13.
  • a fan 6 adjoins the rotor shaft. In this area, there is enough space available to accommodate a rotating transformer of the type described above with secondary side 2 and primary side 3, both of which are only very schematically indicated here.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of a rotary transformer is schematically illustrated in FIG.
  • the primary side here comprises a U-shaped magnetic core 31 ', while the magnetic core 21' of the secondary side here has an I-shaped cross-section.
  • the primary winding 32 ' consists in the present case of a single conductor loop, which is formed from a flat, hollow conductor. This is also provided with hollow, only schematically indicated connection lines 35 '. This allows a cooling liquid, e.g. Cooling water to pump through the conductor.
  • a cooling liquid e.g. Cooling water
  • AC voltage source 4 in the form of a known inverter or inverter supplies the primary side with a primary voltage.
  • the secondary windings 22 ' are each formed by a single conductor loop from a flat, hollow conductor, which is traversed by a gas for cooling.
  • the secondary windings 22 ' are in turn connected to a rotor-fixed rectifier 24, which is indicated here only schematically.
  • FIGS. 8 to 10 illustrate a production-technically advantageous variant for the construction of the secondary side.
  • a magnetic core 21 "of a metal strip is wound onto a rotor 1, which is only schematically indicated here, for which purpose known strips can be used, in particular nanocrystalline core strips or Fe-Si strips, which are well suited for rather low operating frequencies formed common core are a plurality of secondary windings 22 "applied, which are indicated here only very schematically.
  • the connections 23 of these windings 22 are led out in the axial direction and are bent over radially inwards toward the surface of the rotor
  • the arrangement is provided at its axial ends with two circumferential end rings 26a, 26b which serve to fix the secondary winding arrangement and to further minimize the stray fields.
  • one or more of the secondary windings feed individual field windings separately;
  • a plurality of independent rectifier arrangements can be provided.
  • the secondary windings can, unlike in the preceding embodiments, also be arranged overlapping and in particular be formed by axially parallel conductor bars, which are connected to collecting rings, as is known per se from EP 1 708 342.
  • the present invention also makes it possible, in particular, to easily realize a high-current supply for the excitation windings, which allows high currents in the range of 20 kA or more, in particular up to 100 kA.

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Abstract

Es wird ein rotierender Transformator offenbart, welcher sich insbesondere für die Stromversorgung der Erregerwicklung einer Synchronmaschine eignet. Eine ortsfeste Primärwicklungsanordnung (3) wird von einer Wechselspannungsquelle (4) gespeist. Auf einem Rotor (1) ist eine Sekundärwicklungsanordnung (2) angebracht, die induktiv mit der Primärwicklungsanordnung gekoppelt ist. Um eine einfache Montage zu ermöglichen, weist die Primärwicklungsanordnung mindestens zwei Primärwicklungen (32) auf, die sich jeweils über einen vorbestimmten Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors erstrecken. Dadurch wird es möglich, die Primärwicklungen getrennt zu montieren und die Vorrichtung platzsparend in sonst ungenutzt bleibenden Bereichen einer dynamoelektrischen Maschine anzuordnen.

Description

TITEL
Rotierender Transformator zur Versorgung der Feldwicklung in einer dynamoelektrischen Maschine
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator zu einem Rotor. Eine derartige Vorrichtung wird auch als rotierender Transformator bezeichnet. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine dynamoelektrische Maschine, die mit einem derartigen rotierenden Transformator ausgestattet ist.
STAND DER TECHNIK
Als Synchronmaschinen aufgebaute elektrische Generatoren weisen auf dem Rotor (Läufer) eine oder mehrere Erregerwicklungen (Feldwicklungen) auf. Bei einer Erregerwicklung handelt es sich um eine Leiteranordnung, die im Betrieb ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das mit dem Rotor mitrotiert, um in den Wicklungen des Stators (Ständers) eine Wechselspannung zu induzieren. Um die rotierende Erregerwicklung mit Strom zu versorgen, können Bürsten und Schleifringe vorhanden sein. Diese sind allerdings anfällig für Verschleiss. Daher wird häufig ein sogenannter bürstenloser Erreger vorgesehen, bei dem ein als Aussenpolgenerator ausgeführter Hilfsgenerator vorhanden ist, der die Erregerwicklung des eigentlichen Generators mit Strom versorgt. In diesem Hilfsgenerator rotiert eine auf dem Rotor angebrachte Läuferwicklung in einem im Stator erzeugten statischen Magnetfeld. Die in der Läuferwicklung des Hilfsgenerators erzeugte Spannung steht nach entsprechender Gleichrichtung zur Versorgung der Erregerwicklung des eigentlichen Generators zur Verfügung. Ein solcher Hilfsgenerator benötigt jedoch verhältnismässig viel Platz.
In WO 95/26069 wurde daher vorgeschlagen, statt eines Hilfsgenerators einen rotierenden Transformator zur Übertragung elektrischer Energie vom Stator auf den Rotor einzusetzen.
Der dort vorgeschlagene rotierende Transformator umfasst zwei konzentrisch um die
Drehachse gewickelte Spulen, die sich axial entlang der Drehachse gegenüberstehen.
Aufgrund dieser Konstruktion kann der rotierende Transformator in der Praxis nur am
Ende der Rotorwelle angeordnet werden, was die Konstruktionsfreiheit erheblich einschränkt, so dass diese Lösung insbesondere für grosstechnisch einzusetzende
Generatoren wenig geeignet ist.
Auch in US 6,483,218 wurde eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen rotierenden Transformator vorgeschlagen. Hier umfasst der Transformator ebenfalls zwei um die Rotorachse gewickelte, konzentrische Wicklungen, wobei die Primärwicklung radial ausserhalb der Sekundärwicklung angeordnet ist und diese teilweise umgibt. Auch diese Anordnung schränkt aber die möglichen Bauformen der dynamoelektrischen Maschine stark ein. Zudem muss bei der Montage eine ganz bestimmte Reihenfolge eingehalten werden.
In US 3,758,845 wurde ein rotierender Transformator für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei dem auf einer Aussenfläche des Rotors eine flache, rechteckige Sekundärwicklung angebracht ist, die einer entsprechenden Primärwicklung radial gegenübersteht. Dieser Transformator ermöglicht zwar eine einfache Montage und ermöglicht flexible Bauformen für eine damit ausgestattete dynamoelektrische Maschine, ist jedoch konstruktionsbedingt nur für die Übertragung kleiner Signale geeignet. Zudem ist die übertragbare Leistung stark von der aktuellen Rotorstellung abhängig.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator auf einen drehbaren Rotor anzugeben, die platzsparend ausgestaltet werden kann, die einfach zu montieren ist, und die eine Übertragung grosserer Leistungen mit geringerer Drehwinkelabhängigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Es wird also eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie vom einem Stator zu einem Rotor angegeben, welche aufweist: eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung einer Wechselspannung; - einen Stator mit einer Primärwicklungsanordnung, die elektrisch von der
Wechselspannungsquelle gespeist ist; sowie einen Rotor mit einer Sekundärwicklungsanordnung mit einer oder mehreren Sekundärwicklungen, die induktiv mit der Primärwicklungsanordnung gekoppelt sind, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar angeordnet ist und eine Drehrichtung definiert.
Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Primärwicklungsanordnung mindestens zwei, bevorzugt drei oder mehr, Primärwicklungen umfasst, die nicht von der Drehachse des Rotors durchsetzt sind, wobei sich jede der Primärwicklungen über einen vorbestimmten Sektor (Winkelbereich) bezüglich der Drehrichtung des Rotors erstreckt, und wobei die Primärwicklungen bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Der Terminus mindestens zwei Primärwicklungen soll auch eine Ausführungsart einer aus zwei Hälften bestehenden Spule umfassen, welche bei einer Montage miteinander verbunden werden und danach eine Windung bilden. Vorzugsweise erstreckt sich jede Primärwicklung über einen Sektor von höchstens 180°, und die Primärwicklungen sind nicht überlappend und insbesondere bezüglich der Drehrichtung hintereinander angeordnet.
Indem mindestens zwei getrennte Primärwicklungen ausgebildet sind, die nicht von der Rotorachse durchsetzt werden, ist es einerseits möglich, die Primärwicklungen getrennt voneinander zu montieren und somit den Transformator an Orten vorzusehen, an denen eine Montage eines Transformators mit koaxialen Wicklungen nicht möglich wäre. Insbesondere braucht der Transformator nicht an einem Ende des Rotors angeordnet zu sein, wie dies bei Lösungen aus dem Stand der Technik der Fall ist. Gegenüber einem Hilfsgenerator ist zudem der Platzbedarf deutlich geringer, so dass der Rotor nicht unnötig verlängert zu werden braucht. Hierzu trägt insbesondere auch bei, dass ein Transformator mit verhältnismässig hohen Frequenzen betreibbar ist, was eine hohe Leistungsdichte ermöglicht. Andererseits ist eine gleichmässige Übertragung auch höherer Leistungen dadurch gewährleistet, dass nicht nur eine einzige Primärwicklung vorhanden ist, sondern dass mehrere derartige Primärwicklungen über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Unter einer Wicklung ist im vorliegenden Zusammenhang eine beliebige schleifenartige Leiteranordnung zu verstehen, die geeignet ist, von einem Strom durchflössen zu werden und dabei ein magnetisches Feld zu erzeugen bzw. die geeignet ist, von einem magnetischen Fluss durchsetzt zu werden und aufgrund von Änderungen dieses Flusses eine induzierte Spannung abzugeben. Eine Wicklung kann dabei traditionell als Drahtspule mit einer oder mehreren Windungen ausgestaltet sein. Sie kann aber auch z.B. aus einer einzigen Leiterschleife bestehen und/oder aus Metallstäben, -bändern oder hohlen Leitern aufgebaut sein, welche zwecks Kühlung von Wasser oder Gas durchströmbar sind.
Vorzugsweise ist jede der Primärwicklungen auf einem separaten magnetischen Kern angeordnet. Auf diese Weise werden Streuverluste minimiert, und es wird ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Indem jeder Primärwicklung ein separater Kern zugeordnet ist, lässt sich jede Primärwicklung auf einfache Weise zusammen mit ihrem Kern separat montieren. Der Kern kann dabei je nach den konkreten Anforderungen verschiedene Formen aufweisen. Insbesondere kann der Kern im Querschnitt ein E-förmiges Profil, ein U-förmiges Profil oder im einfachsten Fall ein I-förmiges Profil aufweisen.
Um die Fertigung zu erleichtern, kann der magnetische Kern eine Mehrzahl von separat gefertigten Kernsegmenten umfassen, wobei sich jedes dieser Kernsegmente lediglich über einen Teil des Sektors (einen Teilwinkelbereich) der zugeordneten Primärwicklung erstreckt. Dies ist deswegen möglich, weil bei der hier vorgeschlagenen Ausbildung des Transformators kein nennenswerter magnetischer Fluss in der Umfangsrichtung (Drehrichtung) erfolgt und daher die unvermeidlichen Spalte zwischen den Kernsegmenten keine wesentlichen Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften des Kerns haben. Vorzugsweise weisen alle Primärwicklungen gleiche Dimensionen auf und sind vorzugsweise auch identisch aufgebaut. Um eine gleichmässige Energieübertragung zu gewährleisten, sind vorzugsweise mindestens drei Primärwicklungen vorhanden, und die Primärwicklungen sind bezüglich der Drehrichtung gleichmässig verteilt.
Die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung stehen sich vorzugsweise radial gegenüber, das heisst, die von den Wicklungen definierten bzw. eingeschlossenen Flächen weisen eine Flächennormale auf, die sich im Wesentlichen in die radiale Richtung erstreckt. Oder anders ausgedrückt, die Primär- und Sekundärwicklungen liegen vorzugsweise jeweils im Wesentlichen auf einer Kreiszylinderfläche. Nochmals anders ausgedrückt, überwindet das die Wicklungen durchsetzende Magnetfeld den Spalt zwischen Primär- und Sekundärkreis vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung, das heisst, die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklungsanordnung erfolgt im Wesentlichen radial. Es ist aber auch denkbar, dass die Primär- und die Sekundärwicklungsanordnung sich axial, beabstandet von der Drehachse, gegenüberstehen.
Jede Primärwicklung weist bevorzugt zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Abschnitte auf, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung (Drehrichtung) erstrecken und im Betrieb gegenläufig von Strom durchflössen sind, wobei die Länge dieser Abschnitte erheblich grösser als ihr Abstand ist, das heisst, die Wicklung weist eine entlang der Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung langgestreckte, gekrümmte Form auf. Hierdurch wird eine besonders schmale Bauweise des Transformators erreicht. Jedoch sind auch andere Wicklungsformen möglich.
Um Platz zu sparen, ist die Primärwicklungsanordnung bevorzugt in einem Bereich angeordnet, der die Sekundärwicklungsanordnung radial umgibt, und die Primär- und Sekundärwicklungsanordnungen sind vorzugsweise auf dem Umfang des Rotors angeordnet.
Der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Transformators lässt sich durch einen Betrieb in Resonanz erheblich verbessern. Dazu bildet vorzugsweise jede der Primärwicklungen einen Teil eines resonanzfähigen Schwingkreises, und die Wechselspannungsquelle ist derart ausgebildet, dass sie im Betrieb eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich einer Resonanz des Schwingkreises erzeugt. Ein Beispiel eines resonant betriebenen Transformators ist z.B. in dem folgenden Dokument angegeben: R. Mecke und C.Rathge, High frequency resonant inverter for contactless energy transmission over large air gap, IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC), 2004, Volume 3, pp. 1737-1743. Hierbei kann jede Primärwicklung Teil eines separaten Schwingkreises sein, oder mehrere oder alle Primärwicklungen können zu einem einzigen Schwingkreis zusammengeschaltet sein.
Die Arbeitsfrequenz des Transformators liegt vorzugsweise im mittel- bis hochfrequenten Bereich, insbesondere im Bereich oberhalb von ca. 400 Hz. Die Wechselspannungsquelle ist dementsprechend dazu ausgebildet, eine Wechselspannung mit einer solchen
Arbeitsfrequenz zu erzeugen und kann z.B. durch einen entsprechend betriebenen Inverter oder Frequenzumrichter gebildet sein. Geeignete Wechselspannungsquellen sind aus dem
Stand der Technik bekannt. Bevorzugt beträgt die Arbeitsfrequenz ca. 1 kHz bis 20 kHz, sie kann diesen Bereich aber auch übersteigen und beispielsweise 50 kHz oder mehr erreichen. Die Wahl der Arbeitsfrequenz erfolgt unter anderem in Abhängigkeit von den
Verlusteigenschaften der verwendeten magnetischen Kerne.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind nicht nur eine Mehrzahl von Primärwicklungen vorhanden, sondern auch die Sekundäranordnung weist mindestens zwei
Sekundärwicklungen auf, wobei sich jede Sekundärwicklung über einen vorbestimmten
Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors erstreckt, und wobei die
Sekundärwicklungen bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Dies ermöglicht es insbesondere, den Rotor bezüglich möglicher Unwuchten kompensiert zu konstruieren. Insbesondere können mehrere Sekundärwicklungen gleicher Dimensionen und vorzugsweise auch gleichen Aufbaus gleichmässig in Umfangs- bzw. Drehrichtung verteilt angeordnet sein.
Ein besonders eleganter und einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Sekundärwicklungen auf einem gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet sind, der den Rotor auf seiner radialen Aussenseite (auf seinem Umfang) umgibt. Dieser kann mindestens ein in Umfangsrichtung um den Rotor gewickeltes Blech umfassen. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Generator in Form einer Synchronmaschine, deren Erregerwicklung durch eine Vorrichtung zur Energieübertragung, wie sie vorstehend angegeben wurde, gespeist wird. Die dynamoelektrische Maschine umfasst dazu mindestens eine mit dem Rotor verbundene Erregerwicklung zur Erzeugung eines mit dem Rotor rotierenden magnetischen Feldes und mindestens eine mit dem Rotor verbundene Gleichrichtereinrichtung. Die Sekundärwicklungsanordnung ist elektrisch mit der Gleichrichtereinrichtung verbunden, um die in der Sekundärwicklungsanordnung induzierte Sekundärspannung gleichzurichten, und die Gleichrichtereinrichtung ist elektrisch mit der Erregerwicklung verbunden, um die Erregerwicklung mit der gleichgerichteten Sekundärspannung zu speisen.
Die dynamo elektrische Maschine kann ausserdem einen mit dem Rotor verbundenen Ventilator aufweisen. Um Platz zu sparen, kann dann die Sekundärwicklungsanordnung in einem Bereich des Rotors angeordnet sein, der bezüglich der axialen Richtung zwischen der Erregerwicklung und dem Ventilator liegt.
Die vorgeschlagene Erregerstromversorgung erlaubt eine grosse Flexibilität in der Speisung des Erregers. So ist es insbesondere möglich, dass die dynamoelektrische Maschine zwei oder mehr Erregerwicklungen aufweist, die separat von unterschiedlichen Sekundärwicklungen gespeist werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen rotierenden Transformator gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Primärwicklungsanordnung des rotierenden Transformators der Fig. 1; Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines einzelnen Segments der
Primärwicklungsanordnung; Fig. 4 eine Illustration der Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Segmenten; Fig. 5 ein elektrisches Schaltschema für einen rotierenden Transformator mit zwei
Primärwicklungen und vier Sekundärwicklungen; Fig. 6 eine schematische Illustration der Anordnung eines rotierenden
Transformators zwischen Rotorkappe und Ventilator;
Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen rotierenden Transformator gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Illustration eines auf einen Rotor gewickelten Kerns für die
Sekundärwicklungsanordnung eines rotierenden Transformators gemäss einer dritten Ausführungsform;
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Rotors mit Kern und darauf angeordneten Sekundärwicklungen; sowie
Fig. 10 eine schematische Darstellung der vollständigen Sekundärwicklungsanordnung mit Kern, Sekundärwicklungen und Endringen.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der Fig. 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Ein Rotor 1, der in der Fig. 1 nur sehr schematisch angedeutet ist, ist um eine Drehachse 11 drehbar gelagert. Entlang seines Umfangs befindet sich ein drehbarer Transformator mit einer Primärseite 3 und einer Sekundärseite 2. Die Sekundärseite 2 ist am Umfang des Rotors 1 befestigt und rotiert mit diesem mit, während die Primärseite 3 ortsfest ist. Die Primärseite 3 wird von einer Wechselspannungsquelle 4 in Form eines Inverters oder Umrichters mit einer Primärspannung im mittelfrequenten Bereich (ca. 2 kHz bis 50 kHz) gespeist.
Die Sekundärseite 2 umfasst einen magnetischen Kern 21, der in an sich bekannter Weise aus Eisenblechen aufgebaut ist, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Der magnetische Kern 21 weist im Querschnitt ein E-förmiges Profil auf, welches zwei sich in Umfangsrichtung (Drehrichtung) erstreckende, zur radialen Aussenseite hin offene, parallele Nuten definiert. In diese Nuten sind Sekundärwicklungen 22 eingelegt. Mehrere identische Sekundärwicklungen 22 sind über den Umfang des Rotors verteilt hintereinander angeordnet, wobei sich jede dieser Sekundärwicklungen 22 lediglich über einen bestimmten Sektor (Winkelbereich) des Umfangs erstreckt. Hierzu ist der Kern 21 bezüglich der Drehrichtung mehrfach mindestens so weit unterbrochen, dass die Sekundärwicklungen 22 im Bereich dieser Unterbrechungen geschlossen werden können. Statt eines mehrfach unterbrochenen Kerns 21 können auch mehrere getrennte Kerne 21 vorhanden sein, wobei jeder Sekundärwicklung 22 ein eigener Kern 21 zugeordnet ist. Die Sekundärwicklungen 22 schliessen jeweils eine gekrümmte Fläche ein, deren Flächennormale überall radial nach aussen weist. Um eine gute Balance des Rotors 1 zu erzielen, sind vorzugsweise mindestens drei Sekundärwicklungen 22 gleichmässig über den Umfang verteilt.
Die Sekundärwicklungen 22 sind über nur schematisch angedeutete Leitungen 23 mit einer ebenfalls nur schematisch angedeuteten Gleichrichtereinrichtung 24 verbunden, wie sie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, um die in den Sekundärwicklungen 22 induzierte Sekundärspannung gleichzurichten. Der Ausgang der Gleichrichtereinrichtung 24 ist mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Erregerwicklungsanordnung verbunden, die ebenfalls auf dem Rotor 1 angeordnet ist, und speist die Erregerwicklungen mit der gleichgerichteten Sekundärspannung.
In den Figuren 2 bis 4 ist eine mögliche Ausführungsform für die Primärseite näher illustriert. Die Primärseite ist aus drei identischen Segmenten aufgebaut, die gleichmässig über den Umfang des Rotors verteilt sind und radial ausserhalb der Sekundärwicklungen in einem Bereich angeordnet sind, der die Sekundärwicklungen umgibt. Jedes dieser Segmente umfasst einen magnetischen Kern 31, welcher ein Profil mit E-förmigem Querschnitt aufweist und dadurch zwei parallele, sich entlang der Umfangsrichtung erstreckende und radial nach innen hin offene Nuten definiert. In die beiden Nuten jedes Segments ist eine Primärwicklung 32 eingelegt.
Jede Primärwicklung 32 besteht im vorliegenden Beispiel aus vier Windungen (vgl. Fig. 1), kann aber selbstverständlich auch mehr oder weniger Windungen, im Extremfall nur eine einzige Windung umfassen. Sie weist eine langgestreckte, im Wesentlichen rechteckig-gekrümmte Grundform auf, wobei die langen Seiten des Rechtecks entlang der Umfangsrichtung verlaufen und in die Nuten des Kerns 31 eingelegt sind, während die kurzen Seiten diese beiden langen Seiten in der axialen Richtung verbinden und ausserhalb des Kerns 31 verlaufen. Insgesamt resultiert so eine bezüglich der axialen Richtung sehr schmale Bauform jedes Segments. Die von der Primärwicklung 32 eingeschlossene gekrümmte Fläche weist eine Flächennormale auf, die überall in die radiale Richtung weist, d.h. die Primärwicklungen stehen den Sekundärwicklungen radial gegenüber, die Polflächen der Kerne der Primär- und Sekundärseite weisen in die radiale Richtung, und der magnetische Fluss zwischen Primär- und Sekundärseite überwindet den Spalt zwischen diesen Polflächen im Wesentlichen in radialer Richtung.
Der magnetische Kern 31 besteht selbst wiederum aus einer Vielzahl von Kernsegmenten 311, 312. Jedes dieser Kernsegmente 311, 312 weist einen U- förmigen Querschnitt auf und ist in üblicher Weise aus Blechen gebildet, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Jeweils zwei Kernsegmente 311, 312 sind in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordnet, so dass ein solches Paar von Segmenten insgesamt einen E-förmigen Querschnitt bildet. Eine Mehrzahl dieser E-förmigen Paare ist in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, um so den gesamten magnetischen Kern der Primärseite zu bilden.
Wird hierbei auf kommerziell verfügbare Standardteile zurückgegriffen, so können dabei, wie insbesondere in der Fig. 4 erkennbar ist, zwischen benachbarten Kernsegmentpaaren 311, 312 in Umfangsrichtung aufgrund der Krümmung Lücken auftreten. Diese sind jedoch für die Funktionsweise des Transformators nicht kritisch, da die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen der U-Form jedes einzelnen Kernsegments folgen und somit kein nennenswertes Magnetfeld in der Umfangsrichtung wirkt. Dadurch braucht der magnetische Fluss die Spalte zwischen aufeinanderfolgenden Kernsegmenten in der Praxis nicht zu überwinden, so dass diese Spalte für die Funktionsweise ohne nennenswerten Einfluss bleiben. Jedoch wird eine lückenlose Anordnung der Kernsegmente 311, 312 bevorzugt, was durch eine der Krümmung des Stators angepasste Ausformung der Kernsegmente 311, 312 erreicht wird.
Der Kern 31 mit der darin eingelegten Primärwicklung 32 ist durch eine als Gehäuse wirkende Halterung 33 fixiert. Die Halterung 33 umfasst zwei teilschalenförmige Hälften, die axial nebeneinanderliegend angeordnet sind. Durch Schrauben 34, die der besseren Übersichtlichkeit halber nur in der Fig. 1 dargestellt sind, werden die beiden Hälften axial zusammengehalten und üben in axialer Richtung eine Klemmkraft auf den Kern 31 aus. An ihren Enden weist die Halterung jeweils Verbindungsflansche 37 auf, deren Flächennormale in Umfangsrichtung weist, wobei sich die Verbindungsflansche 37 benachbarter Halterungen entlang der Umfangsrichtung gegenüberstehen und durch nur in der Fig. 4 dargestellte Schrauben 38 miteinander verbunden sind.
Ein schematisches elektrisches Schaltbild für einen erfindungsgemässen Transformator ist in der Fig. 5 gezeigt. Im Beispiel der Fig. 5 weist die Primärseite 3 lediglich zwei Primärwicklungen 32 auf. Die Sekundärseite 2 weist in diesem Beispiel vier Sekundärwicklungen 22 auf, welche jeweils mit drei Anschlüssen versehen sind. Die Sekundärwicklungen 22 sind über einen gemeinsamen magnetischen Kern 21 der Sekundärseite und Kerne 31 der Primärseite induktiv mit den Primärwicklungen 32 gekoppelt. Die Mittenanschlüsse der Sekundärwicklungen 22 sind miteinander verbunden und bilden einen ersten Pol eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 25. Die beiden anderen Anschlüsse der Sekundärwicklungen 22 sind über Dioden, die gemeinsam eine Gleichrichteranordnung 24 bilden, mit dem zweiten Pol des Zwischenkreises 25 verbunden. Aus diesem Zwischenkreis 25 wird die hier nicht dargestellte Erregerwicklung gespeist.
Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen und Verluste zu minimieren, wird das System vorzugsweise in Resonanz betrieben. Hierzu ist jede der beiden Primärwicklungen 32 durch eine Kapazität 36 zu einem Schwingkreis ergänzt, dessen Resonanzfrequenz in bekannter Weise durch die Induktivität der Primärwicklung 32 und die Kapazität 36 gegeben ist. Die in der Fig. 5 nicht dargestellte Wechselspannungsquelle, mit welcher der so vervollständigte Primärkreis versorgt wird, ist mit ihrer Betriebsfrequenz auf diese Resonanzfrequenz abgestimmt, d.h. sie betreibt den Primärkreis in oder nahe der Resonanzfrequenz. Während in Fig. 5 ein Serienschwingkreis dargestellt ist, kann der Schwingkreis auch als Parallelschwingkreis oder, besonders bevorzugt, in einer Kombination aus in Serie und parallel geschalteten Kapazitäten ausgebildet sein. In der Fig. 6 ist illustriert, wie ein Transformator der hier vorgeschlagenen Art platzsparend zwischen einer sogenannten Rotorkappe 13 und dem Ventilator 6 eines elektrischen Generators angeordnet werden kann. Der hier nur teilweise und schematisch dargestellte Rotor 1 trägt eine in der Fig. 6 nur angedeutete Erregerwicklung 12, um ein mit dem Rotor 1 rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses erzeugt in nicht dargestellten Induktionspulen, die mit einem Stator 5 verbunden sind, eine induzierte Spannung. Der Bereich des Rotors 1, in dem die Erregerwicklung endet, ist mit der Rotorkappe 13 abgedeckt. In einem gewissen axialen Abstand zur Rotorkappe 13 schliesst sich entlang der Rotorwelle ein Ventilator 6 an. In diesem Bereich steht genügend Platz zur Verfügung, um einen rotierenden Transformator der vorstehend dargestellten Art mit Sekundärseite 2 und Primärseite 3, die beide hier nur sehr stark schematisiert angedeutet sind, unterzubringen.
Eine alternative Ausführungsform eines rotierenden Transformators ist in der Fig. 7 schematisch illustriert. Die Primärseite umfasst hier einen im Querschnitt U- förmigen magnetischen Kern 31 ', während der magnetische Kern 21 ' der Sekundärseite hier einen I- förmigen Querschnitt aufweist. Die Primärwicklung 32' besteht im vorliegenden Fall aus einer einzigen Leiterschleife, die aus einem flachen, hohlen Leiter gebildet ist. Dieser ist mit ebenfalls hohlen, nur schematisch angedeuteten Anschlussleitungen 35' versehen. Dies erlaubt es, eine Kühlflüssigkeit, z.B. Kühlwasser, durch den Leiter zu pumpen. Eine
Wechselspannungsquelle 4 in Form eines an sich bekannten Inverters oder Umrichters versorgt die Primärseite mit einer Primärspannung. Auch die Sekundärwicklungen 22' sind jeweils durch eine einzige Leiterschleife aus einem flachen, hohlen Leiter gebildet, welcher zur Kühlung von einem Gas durchströmbar ist. Die Sekundärwicklungen 22' sind wiederum mit einem rotorfesten Gleichrichter 24 verbunden, der hier nur schematisch angedeutet ist.
In den Figuren 8 bis 10 ist eine fertigungstechnisch vorteilhafte Variante für den Aufbau der Sekundärseite illustriert. Auf einen hier nur schematisch angedeuteten Rotor 1 wird ein magnetischer Kern 21 " aus einem Metallband gewickelt. Hierzu können an sich bekannte Bänder verwendet werden, insbesondere nanokristalline Kernbänder oder Fe-Si-Bänder, welche sich für eher niedrigere Arbeitsfrequenzen gut eignen. Auf den so gebildeten gemeinsamen Kern werden eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen 22" aufgebracht, welche hier nur stark schematisch angedeutet sind. Die Anschlüsse 23 dieser Wicklungen 22" sind in axialer Richtung herausgeführt und zur Oberfläche des Rotors hin nach radial innen abgeknickt ausgebildet. Abschliessend wird die Anordnung an ihren axialen Enden mit zwei umlaufenden Endringen 26a, 26b versehen, welche dazu dienen, die Sekundärwicklungsanordnung zu fixieren und die Streufelder weiter zu minimieren.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehende Beschreibung lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung illustriert und nicht dazu dient, die Erfindung einzuschränken. Insbesondere sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen der vorstehenden Ausführungsbeispiele möglich. So können z.B. eine oder mehrere der Sekundärwicklungen einzelne Erregerwicklungen getrennt speisen; hierzu können mehrere unabhängige Gleichrichteranordnungen vorgesehen sein. Die Sekundärwicklungen können, anders als in den vorstehenden Ausführungsbeispielen, auch überlappend angeordnet sein und insbesondere durch achsparallele Leiterstäbe gebildet sein, die mit Sammelringen verbunden sind, wie dies aus der EP 1 708 342 an sich bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch insbesondere, auf einfache Weise eine Hochstromversorgung für die Erregerwicklungen zu verwirklichen, welche hohe Ströme im Bereich von 20 kA oder mehr, insbesondere bis 100 kA, zulässt.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Rotor 31, 31 ' Kern
11 Rotorachse 311, 312 Kernsegment
12 Feldwicklung 32, 32' Primärwicklung
13 Rotorkappe 33 Halterung
2 Sekundärseite 34 Schraube
21, 21 ', 21 " Kern 35, 35' Zuleitung
22, 22', 22 ' ' Sekundärwicklung 36 Kapazität
23 Leitung 37 Befestigungsflansch
24 Gleichrichtereinrichtung 38 Schraube
25 Zwischenkreis 5 Stator
26a, 26b Fixierring 6 Ventilator
3 Primärseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator zu einem Rotor (1), wobei die Vorrichtung aufweist: eine Wechselspannungsquelle (4) zur Erzeugung einer Wechselspannung; einen Stator (5) mit einer Primärwicklungsanordnung (3), die elektrisch von der Wechselspannungsquelle (4) gespeist ist; sowie einen Rotor (1) mit einer Sekundärwicklungsanordnung (2), die induktiv mit der Primärwicklungsanordnung (3) gekoppelt ist, wobei der Rotor (1) um eine Rotationsachse (11) drehbar angeordnet ist und eine Drehrichtung definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungsanordnung (3) mindestens zwei Primärwicklungen (32; 32') aufweist, die nicht von der Rotationsachse (11) des Rotors (1) durchsetzt sind, wobei sich jede der Primärwicklungen (32; 32') über einen vorbestimmten Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors (1) erstreckt, und wobei die Primärwicklungen (32; 32') bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') auf einem eigenen magnetischen Kern (31; 31 ') angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der magnetische Kern (31; 31 ') eine Mehrzahl von Kernsegmenten (311, 312) umfasst, wobei sich jedes dieser Kernsegmente (311, 312) über einen Teil des Sektors der zugeordneten Primärwicklung (32; 32') erstreckt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklungen (32; 32') gleiche Dimensionen aufweisen und bezüglich der Drehrichtung gleichmässig verteilt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') eine Fläche einschliesst, deren Flächennormale im Wesentlichen in eine radiale Richtung weist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklungsanordnung (3) in einem Bereich angeordnet ist, der die Sekundärwicklungsanordnung (2) radial umgibt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') einen Teil eines resonanzfähigen Schwingkreises bildet, und wobei die Wechselspannungsquelle (4) dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich einer Resonanz des Schwingkreises zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannungsquelle (4) dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz von 400 Hz oder mehr zu erzeugen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) mindestens zwei Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") aufweist, wobei sich jede Sekundärwicklung (22; 22'; 22") über einen vorbestimmten Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors (1) erstreckt, und wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") gleiche Dimensionen aufweisen und in Drehrichtung gleichmässig verteilt angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") auf einem gemeinsamen Kern (21; 21 '; 21 ") angeordnet sind, der den Rotor (1) auf seiner Aussenseite umgibt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kern (21; 21', 21") mindestens ein in Umfangsrichtung um den Rotor (1) gewickeltes Blech umfasst.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) mit einer Gleichrichtereinrichtung (4) verbunden ist, um eine in der Sekundärwicklungsanordnung induzierte Sekundärspannung gleichzurichten.
14. Dynamoelektrische Maschine mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamoelektrische Maschine mindestens eine mit dem Rotor (1) verbundene Erregerwicklung (12) zur Erzeugung eines mit dem Rotor (1) rotierenden magnetischen Feldes sowie eine mit dem Rotor verbundene Gleichrichtereinrichtung (24) aufweist, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) elektrisch mit der Gleichrichtereinrichtung (24) verbunden ist, um eine in der Sekundärwicklungsanordnung (2) induzierte Sekundärspannung gleichzurichten, und wobei die Gleichrichtereinrichtung (24) elektrisch mit der Erregerwicklung (12) verbunden ist, um die Erregerwicklung mit der gleichgerichteten Sekundärspannung zu speisen.
15. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 14, die einen mit dem Rotor (1) verbundenen Ventilator (6) aufweist, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) in einem Bereich des Rotors (1) angeordnet ist, der bezüglich der axialen Richtung zwischen der Erregerwicklung (12) und dem Ventilator (6) liegt.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9368272B2 (en) 2003-02-26 2016-06-14 Analogic Corporation Shielded power coupling device
US9490063B2 (en) 2003-02-26 2016-11-08 Analogic Corporation Shielded power coupling device
EP3680921A1 (de) * 2010-09-15 2020-07-15 Schleifring GmbH Drehenergiewandler
CN103748642B (zh) * 2011-06-01 2017-08-25 Analogic公司 带屏蔽的电力耦合设备
DE102012102971A1 (de) * 2012-03-06 2013-09-12 Rolf Strothmann Anordnung aus einem Aktor und einem Aktorhalter
FR2990557B1 (fr) * 2012-05-10 2015-05-01 Hispano Suiza Sa Transformateur tournant triphase cuirasse magnetiquement
US20150096364A1 (en) * 2013-10-08 2015-04-09 Vincenzo Di Giovine Wind detection apparatus
ITPD20130278A1 (it) * 2013-10-08 2015-04-09 Giovine Vincenzo Di Apparato di rilevamento del vento
US9525376B2 (en) * 2014-05-13 2016-12-20 Gbox, Llc Wound field synchronous machine with resonant field exciter
US10269486B2 (en) * 2014-05-19 2019-04-23 Apple Inc. Magnetically permeable core and inductive power transfer coil arrangement
WO2017204663A1 (en) 2016-05-25 2017-11-30 Powerbyproxi Limited A coil arrangement
WO2017209630A1 (en) 2016-06-01 2017-12-07 Powerbyproxi Limited A powered joint with wireless transfer
CN109564808A (zh) * 2016-08-03 2019-04-02 模拟技术公司 功率耦合装置
US11394274B2 (en) * 2016-10-12 2022-07-19 Thomas Nikita Krupenkin Mechanical energy harvesting utilizing liquid rotor homopolar generator
US11038394B2 (en) * 2018-01-25 2021-06-15 Ge Aviation Systems Llc Generator rotor with coil end-turn retention mechanism
DE102018103709A1 (de) * 2018-02-20 2019-08-22 stoba e-Systems GmbH Antriebsstrang mit zwei unterschiedlich Spannung abgebenden Batterien, Elektro-Antriebs-System mit Niedervoltstäbe umgebende Hochvolt-Wicklungen, Elektromotor mit separatem Hochvolt-Pulswechselrichter und Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors
EP3533522A1 (de) 2018-02-28 2019-09-04 Alfa Laval Corporate AB Zentrifugalabscheider und verfahren zum betrieb eines zentrifugalabscheiders
DE102018123836A1 (de) * 2018-09-27 2020-04-02 Steffen Nitschke Spule für eine Energieübertragung
DE102019134658B4 (de) 2019-12-17 2023-09-28 Audi Ag Drahtloses Übertragen von Energie zwischen wenigstens zwei Einheiten einer Energiekoppelvorrichtung
WO2021139866A1 (ru) * 2020-01-06 2021-07-15 Кирилл ЧИКЕЮК Резонансный вращающийся трансформатор
DE102021211474A1 (de) 2021-10-12 2023-04-13 Mahle International Gmbh Elektrischer Drehtransformator
CN113936900B (zh) * 2021-10-29 2022-05-03 上海赢双电机有限公司 变磁通旋转变压器

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA878140A (en) 1969-05-12 1971-08-10 S. Mackelvie John Signal transmitting system for rotating apparatus
US4352033A (en) * 1980-07-22 1982-09-28 Antonov Jury F Contactless superconducting synchronous electrical machine
US4912735A (en) * 1988-07-18 1990-03-27 Elscint Ltd. Power transfer apparatus particularly for CT scanner
US5519275A (en) 1994-03-18 1996-05-21 Coleman Powermate, Inc. Electric machine with a transformer having a rotating component
CA2170686A1 (en) * 1995-04-21 1996-10-22 Mark A. Runkle Interconnection system for electrical systems having differing electrical characteristic
US6483218B1 (en) 1999-05-20 2002-11-19 Alex Petrinko Brushless electric exciter for dynamoelectric machines
US6674836B2 (en) * 2000-01-17 2004-01-06 Kabushiki Kaisha Toshiba X-ray computer tomography apparatus
WO2002013361A1 (en) * 2000-08-04 2002-02-14 American Superconductor Corporation Exciter assembly for superconducting machine
US7868723B2 (en) * 2003-02-26 2011-01-11 Analogic Corporation Power coupling device
DE102004028595A1 (de) * 2004-06-12 2005-12-29 Daimlerchrysler Ag Vorrichtung zum berührungslosen induktiven Übertragen von Energie und Daten und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeugmodul
EP1708342A3 (de) 2005-03-31 2010-04-14 ALSTOM Technology Ltd Rotierender Erreger für hohe Ströme
US7197113B1 (en) * 2005-12-01 2007-03-27 General Electric Company Contactless power transfer system
WO2009147574A1 (en) * 2008-06-02 2009-12-10 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Rotary power transformer for use in a high-voltage generator circuitry for inductively transmitting two or more independently controllable supply voltages to the power supply terminals of a load
EP2285280A1 (de) * 2008-06-02 2011-02-23 Philips Intellectual Property & Standards GmbH Vorrichtung für ein computertomographiegerüst zur kontaktlosen übertragung elektrischer energie

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2010102987A1 *

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