DE102009006162A1

DE102009006162A1 - Mehrphasige Drehstrommaschine mit einem Stator für jede Phase

Info

Publication number: DE102009006162A1
Application number: DE200910006162
Authority: DE
Inventors: Stephan Arens
Original assignee: Arens Stephan Dr
Current assignee: Arens Stephan Dr
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Für die hohe Drehstromfrequenz soll eine mehrphasige Drehstrommaschine mit kleiner Synchrondrehzahl gebaut werden, ohne dass sich der Umfang des Stators durch Vervielfachung der Spulen im Stator vergrößert. In der erfindungsgemäßen Drehstrommaschine wird die Synchrondrehzahl gegenüber einer üblichen Drehstrommaschine gesenkt, indem die Polpaarzahl bei gleicher Spulenzahl im Stator erhöht wird, dadurch dass alle Spulen eines Stators jeweils nur mit einer Phase und dem Sternpunkt verbunden werden - mit gegensinniger magnetischer Ausrichtung benachbarter Spulen im Stator - und dann für jede Phase ein eigener Stator benutzt wird. Analog läßt sich die erfindungsgemäße Drehstrommaschine für drei Phasen statt mit Sternschaltung auch mit Dreieckschaltung betreiben, dann ist jeder der Statoren der erfindungsgemäßen Drehstrommaschine an genau zwei der drei Phasen angeschlossen. Die erfindungsgemäße Drehstrommaschine eignet sich besonders dazu, als Asynchrongenerator betrieben, aus langsam drehenden Achsen mit großen Drehmoment, z. B. in Windkraftanlagen, die Rotationsenergie mit nur kleinem Getriebe oder gar getriebelos in Form elektrischen Stroms unmittelbar ohne Frequenzumrichteranlage in ein übliches 50 Hz oder 60 Hz 3-Phasen-Drehstromnetz einzuspeisen.

Description

Mehrphasige Drehstrommaschinen für n-Phasen werden üblicher Weise so betrieben, dass im Stator n oder ein Vielfaches von n Spulen der Reihe nach mit jeder Phase verbunden sind – bei mehr als n Spulen mit sich wiederholendem Phasendurchlauf – und umlaufende Magnetpole bilden.
Die magnetische Umlaufgeschwindigkeit, also die Synchrondrehzahl wird bestimmt von dem Quotienten aus Drehstromfrequenz und Polpaarzahl, wobei die Polpaarzahl proportional ist zu dem Quotienten aus Spulenzahl und Phasenzahl.
Möchte man eine Drehstrommaschine mit kleiner Synchrondrehzahl für eine hohe Drehstromfrequenz bauen, ohne durch eine geeignete Frequenzumrichteranlage die wirksame Drehstromfrequenz zu ändern, wird dies üblicherweise durch eine Vervielfachung der Polpaarzahl über eine Vervielfachung der Spulenzahl im Stator bewerkstelligt.
Die Vervielfachung der Spulenzahl im Stator bringt konstruktive Probleme, der Umfang des Stators wird größer. Es wird aufwendiger, den Abstand zwischen Läufer und Stator klein zuhalten, ein größerer Abstand wirkt sich ungünstig auf den Wirkungsgrad aus.
Eine geringere Drehzahl bedingt bei gleicher Leistung ein größeres Drehmoment.
Um mit einer Drehstrommaschine ein größeres Drehmoment verarbeiten zu können sind größere Magnetkräfte erforderlich.
Um bei einer n-Phasen-Drehstrommaschine eine kleine Synchrondrehzahl für eine hohe Drehstromfrequenz zu erreichen, ohne dass sich der Umfang des Stators durch Vervielfachung der Spulenzahl im Stator vergrößert, befinden sich bei der erfindungsgemäßen Drehstrommaschine n Statoren nebeneinander, dergestalt, dass es für jede Phase einen eigenen Stator gibt und jeder Stator jeweils an genau eine Phase und den Sternpunkt bei Sternschaltung angeschlossen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Drehstrommaschine werden die nebeneinander liegenden Statoren so verschaltet, dass alle Spulen eines Stators jeweils parallel oder in Reihe an dieselbe Phase und den Sternpunkt angeschlossen sind, und die Stromflußrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen gegensinnig ist oder dass der Winkel zwischen der magnetischen Ausrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen bei Stromfluß nahe 180° oder zumindest größer als 90° ist.
Es handelt sich damit um je eine Einphasenmaschine pro Phase. Bei der Einphasenmaschine vervielfacht sich die Polpaarzahl um den Faktor n gegenüber einer üblichen n-Phasen-Drehstrommaschine mit der gleichen Spulenzahl pro Stator, d. h. die Synchrondrehzahl verringert sich um den Faktor 1/n bei gleicher Spulenzahl pro Stator.
Analog läßt sich die erfindungsgemäße Drehstrommaschine für 3 Phasen statt mit Sternschaltung auch mit Dreieckschaltung betreiben, dann ist jeder Stator an genau 2 der 3 Phasen angeschlossen.
Nun reicht es nicht in jedem Fall aus, einfach n Einphasenmaschine für eine n-phasige Drehstrommaschine aneinander zu koppeln, es ist je nach Läufer erforderlich, den Phasenwinkel zu berücksichtigen.
Bei elektrisch und magnetisch getrennten Kurzschlußläufern passen sich die Magnetpole der Kurzschlußläufer automatisch den Magnetpolen der Statoren an. Bei Permanentmagneten oder Magnetspulen im Läufer müssen diese neben dem Phasenwinkel auch an die gegenüber einer üblichen Drehstrommaschine vervielfachten Magnetpolzahl bei gleicher Spulenzahl im Stator angepasst werden.
Für eine erfindungsgemäße Drehstrommaschine muß die Phasendrehung der verschiedenen Phasen gegeneinander durch entsprechende Drehung (in Rotationsachse des Läufers) der Statoren gegeneinander oder durch entsprechende Drehung der magnetisch wirksamen Elemente des Läufers (in Rotationsachse desselben) unter Berücksichtigung der Polpaarzahl ausgeglichen werden und zwar ergibt sich für den relativen Ausgleichsdrehwinkel im Bereich eines jeden Stators der korrespondierende relative Phasenwinkel geteilt durch die Polpaarzahl – außer für elektrisch und magnetisch getrennte Kurzschlußläufer, die sich automatisch den Magnetpolen der Statoren anpassen.
Bei elektrisch und magnetisch getrennten Kurzschlußläufern könnte sich für einen erfindungsgemäßen Drehstrommotor wie bei einem Einphasenmotor ein Anlaufproblem ergeben.
Wenn ein gemeinsamer Kurzschlußläufer oder Schleifenläufer über alle Statoren benutzt wird, oder wenn es sich um einen Synchronmotor handelt, ist nicht mit Anlaufproblemen des erfindungsgemäßen Drehstrommotors zu rechnen. Ein Anlaufproblem tritt bei Generatorbetrieb prinzipiell nicht auf, wenn der Antrieb in der richtigen Drehrichtung von außen erfolgt.
Die erfindungsgemäße Drehstrommaschine für 3-Phasendrehstrom hat gegenüber einer üblichen Drehstrommaschine den Vorteil, dass je Stator nur ein Drittel der Spulen benötigt wird für die gleiche Polpaarzahl pro Stator, der Umfang eines Stators also viel kleiner gestaltet werden kann bei gleicher Synchrondrehzahl, oder aber – bei gleicher Spulenzahl je Stator – die Synchrondrehzahl nur ein Drittel beträgt, wobei immer 3 (oder ein vielfaches von 3) gleichartige Statoren nebeneinander betrieben werden müssen.
Eine größere Statorenzahl bei kleinerer Synchrondrehzahl kommt der Tatsache entgegen, dass sich für eine konstante Leistung Drehzahl und Drehmoment umgekehrt proportional zueinander verhalten und zur Bewerkstelligung des größeren Drehmoments entsprechend größere Magnetkräfte bei der Drehstrommaschine erforderlich sind, die sich dann auf mehrere Statoren verteilen.
Die erfindungsgemäße Drehstrommaschine eignet sich besonders dazu, als Asynchrongenerator betrieben, aus langsam drehenden Achsen mit großem Drehmoment, z. B. in Windkraftanlagen, die Rotationsenergie mit nur kleinem Getriebe oder gar getriebelos in Form elektrischen Stroms unmittelbar ohne Frequenzumrichteranlage in ein übliches 50 Hz oder 60 Hz 3-Phasen Drehstromnetz einzuspeisen.

Claims

Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehstrommaschine für jede Phase einen eigenen Stator enthält und jeder Stator an genau eine der n Phasen und den Sternpunkt angeschlossen ist und die Spulen eines Stators jeweils parallel oder in Reihe geschaltet sind dergestalt, dass die Stromflußrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen gegensinnig ist oder dass der Winkel zwischen der magnetischen Ausrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen bei Stromfluß nahe 180° oder zumindest größer als 90° ist.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen für n ≥ 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehstrommaschine n gleichförmige Statoren enthält und jeder Stator an genau 2 der n Phasen angeschlossen ist – für n = 3 im Sinne einer Dreieckschaltung – und die Spulen eines Stators jeweils parallel oder in Reihe geschaltet sind dergestalt, dass die Stromflußrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen gegensinnig ist oder dass der Winkel zwischen der magnetischen Ausrichtung zweier im Stator benachbarter Spulen bei Stromfluß nahe 180° oder zumindest größer als 90° ist.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1) oder 2), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehstrommaschine n gleichförmige Statoren enthält, deren n Läufer unmittelbar mechanisch oder über ein Getriebe dergestalt verbunden sind, dass sie sich jeweils mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit drehen.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1) oder 2), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehstrommaschine n gleichförmige in der Rotationsachse eines gemeinsamen Läufers gegeneinander verdrehte Statoren enthält und der Drehwinkel der Statoren zueinander dem Drehwinkel der zugehörigen Phasen zueinander geteilt durch die Polpaarzahl des Stators entspricht.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1) oder 2), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehstrommaschine aus n gleichförmigen Statoren mit einem gemeinsamen Läufer besteht und der Läufer in seiner Rotationsachse so in sich verdreht oder dessen Stäbe oder Leitungen oder Magneten oder Spulen in Rotationsachse so in sich verdreht oder so angeschlossen sind, dass die stationären oder wandernden Magnetpole des Läufers im Bereich des jeweiligen Stators in dem relativen Winkel zueinander um die Rotationsachse gedreht sind, wie es dem relativen Phasenwinkel der Phase des zugehörigen Stators geteilt durch seine Polpaarzahl entspricht.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1), 2), 3), 4) oder 5), die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um eine Drehstromasynchronmaschine handelt und der Läufer ein Kurzschlußläufer ist oder die Läufer Kurzschlußläufer sind.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1), 2), 3), 4) oder 5), die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um eine Drehstromasynchronmaschine handelt und der Läufer ein Schleifringläufer ist oder die Läufer Schleifringläufer sind.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1), 2), 3), 4) oder 5), die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um eine Drehstromasynchronmaschine handelt und der oder die Läufer einen definierten oder variablen oder kontaktlos steuerbaren inneren elektrischen Widerstand hat oder haben.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1), 2), 3), 4) oder 5), die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um eine Drehstromsynchronmaschine handelt.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1) bis 8), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verschaltung der Spulen in den Statoren über einen oder mehrere geeignete Schalter so geändert werden kann, dass die Drehstrommaschine sowohl nach Patentanspruch 1) bis 8) als auch in üblicher Weise als n gleichartige, parallel betriebene Drehstrommaschinen mit Anschluß aller Phasen an den Spulen eines jeden einzelnen Stators in Stern- oder Dreieckschaltung mit der dann n-fachen Synchrondrehzahl betrieben werden kann.
Mehrphasige Drehstrommaschine mit n Phasen nach 1) bis 10), die dadurch gekennzeichnet ist, das zwei oder mehr der in Patentanspruch 1) bis 10) genannten Drehstrommaschinen – in getrenntem oder gemeinsamem Gehäuse über ein Getriebe parallel oder durch Hintereinanderanordnung und mechanische Koppelung in Läuferachsrichtung mit elektrisch und magnetisch getrennten und nur mechanisch gekoppelten Läufern oder einem gemeinsamem Läufer mit oder ohne mechanisch oder elektrisch abtrennbaren Läufern oder Statoren – verbunden werden und die Reihenfolge aller Statoren der gekoppelten Drehstrommaschinen beibehalten oder diese untereinander vertauscht werden und falls erforderlich ein gemeinsamer Läufer – wie unter 5) für eine einzelne Drehstrommaschine beschrieben – für alle Statoren der verbundenen Drehstrommaschinen angepaßt wird.