DE19731930A1 - Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungspaaren jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche längs der Maschinenachse angeordnet sind, wobei die elektrisch und mechanisch verbun­ denen Läufer Drehfeldwicklungen aufweisen, welche in bezug auf den Läufer gegensinnig rotierende Felder erzeugen.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 311 717 A1 ist ein Synchrongenerator bekannt, welcher zwei beabstandete Statoren aufweist. Die Statoren umschließen zwei auf einer Achse beabstandet angeordnete Läufer, die elektrische Wicklungen aufweisen.

Die Wicklungen der Läufer sind über Kreuz miteinander elek­ trisch verbunden. Die Statorwicklungen sind parallel geschaltet und werden mit einer konstanten Frequenz beauf­ schlagt.

Beim Betreiben des bekannten Synchrongenerators mit konstanter Frequenz bzw. jeweils gleicher Feldfrequenz in den Wicklungen oder Statoren führt jedoch zu einer unbefriedigenden Arbeits­ weise mit extrem schlechtem Wirkungsgrad. Letztendlich ent­ stehen störende Oberwellen, die für die Anwendung des Syn­ chrongenerators ebenfalls von Nachteil sind.

Eine vorgeschlagene frequenzseitige Trennung beim Beauf­ schlagen der Statorwicklungen mit Wechselspannung dient lediglich der Justage durch gegenseitiges Verdrehen der Wicklungen der Statoren im Falle einer unerwünschten Phasen­ verschiebung.

Ausgehend von dem kurz umrissenen bekannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrodynamische Maschine der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß diese sowohl als Synchrongenerator und/oder -motor bzw. als Licht­ maschine eingesetzt werden kann, wobei eine kostengünstige mechanische und elektrische Konstruktion anzugeben ist, die darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad unter allen Betriebs­ arten gewährleistet.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt nun darin, von einer Maschine auszugehen, die zueinander ausgerichtete Läufer- und Ständerwicklungspaare aufweist, die längs einer gemeinsamen Maschinenachse angeordnet sind. Die Läufer weisen elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen auf, die durch eine drehfeldumkehrende leitende Verbindung bzw. entsprechende Verdrahtung in der Lage sind, gegensinnig rotierende Felder zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird beim Motorbetrieb der Maschine eine Erregung der Ständerwicklungen der Wicklungspaare jeweils mit einer Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz vorgenommen, wobei sich in Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies, abgreifbares Drehmoment an den verbundenen Läufern bzw. der Läuferachse einstellt.

Beim Betrieb der Maschine als Generator wirkt ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern bzw. der Maschinenläuferachse, welches in einem nicht fremderregten Teil des Ständers eine abgreifbare Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die sich aus der Läuferdrehzahl, der Erregerfrequenz des erregenden Ständers bzw. Stators und der jeweiligen Pol­ paarzahl ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit des kombinierten Betriebes als Synchron­ generator und -motor der elektrischen Maschine dergestalt, daß z. B. ein Verbrennungsmotor dadurch angelassen wird, daß die Maschine über variable Frequenzen, die an die Ständerwick­ lungen angelegt werden, sich durch die induzierten Spannungen und Ströme im Läufer in Drehung versetzt. In dem Moment, bei dem der Verbrennungsmotor seine Betriebsdrehzahl erreicht, kann über die mechanische Verbindung zwischen der Abtriebs­ seite des Verbrennungsmotors und der Maschinenachse ein Dreh­ moment auf die Läufer einwirken, wobei dann die Maschine als Generator wirkt und ins Netz einspeist, respektive elektrische Energie erzeugt. Durch Erhöhen oder Verringern der variablen Frequenzen kann bei angenommenem konstanten Motordrehmoment, was jedoch keine Bedingung ist, eine Veränderung der Genera­ tordrehzahl und dadurch eine Leistungsregelung erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung kann der Ständer eines ersten der Wicklungspaare mit einer Gleich­ spannung beaufschlagt werden. An den verbundenen Läufern bzw. der Maschinen- oder Läuferachse wirkt in diesem Falle ein äußeres Drehmoment ein derart, daß sich am Ständer eines zweiten der Wicklungspaare eine induzierte Wechselspannung einstellt, so daß sich die Funktion einer Lichtmaschine ergibt.

Durch zeitweises Kurzschließen der Wicklungen eines Ständers kann die Maschine zum Anlaufen in den Asynchronbetrieb ge­ zwungen werden. Das ansonsten für den Betrieb einer Synchron­ maschine notwendige mechanische Einwirken einer Mindestdreh­ zahl bzw. eines Mindestdrehmoments auf die Maschinenachse kann daher entfallen.

Die erfindungsgemäßen auf der gemeinsamen Maschinenachse angeordneten Läufer bestehen bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform aus jeweils mindestens drei Stableitern, die einen Käfigläufer bilden.

Die Stableiter sind am außenseitigen Ende kurzgeschlossen und an den zueinanderweisenden Enden drehfeldumkehrend verbunden.

Vorzugsweise sind die Stableiter des Läufers eines ersten der Wicklungspaare in einem Verbindungsabschnitt im wesentlichen parallel in den Käfig der Stableiter des Läufers eines zweiten der Wicklungspaare hineinerstreckend ausgebildet und dort derart gegeneinander in Rotationsrichtung winkelverschoben, daß korrespondierende Stableiterenden bei gleichzeitiger elek­ trischer Isolation nichtkorrespondierender Abschnitte mittels einfacher Brücken oder dergleichen verbunden werden können. Zum Betreiben der elektrischen Maschine als Motor können die Ständerwicklungen sowohl mit je konstanter und variabler Frequenz als auch mit zwei jeweils für sich variablen Frequenzen betrieben werden, wobei erfindungswesentlich der Grundsatz ist, daß für den Erhalt eines entsprechenden Drehmomentes bzw. das Einstellen einer gewünschten Drehzahl unterschiedliche Feldfrequenzen erforderlich sind.

Im Sinne der Erfindung haben die Ständerwicklungen stets zueinander unterschiedliche Feldfrequenzen bei gleicher Pol­ paarzahl und bei unterschiedlicher mechanischer Drehzahl auch unterschiedliche generierte Frequenzen.

Um eine konstante Ausgangsfrequenz im Generatorbetrieb zu erhalten, wird bei variabler Läuferfrequenz das Ständer- Erregerfeld entsprechend verändert oder bei konstanter Erregerfrequenz ergibt sich mit der Läuferdrehzahl eine Ver­ änderung der Frequenz in der zweiten Ständerwicklung. Motor- und Generatorfunktionen der elektrodynamischen Maschine zeichnen sich dadurch aus, daß in beiden Fällen an den jewei­ ligen Ständerwicklungen unterschiedliche Magnetfeldfrequenzen zu verzeichnen sind und sich der Läufer in Abhängigkeit von der resultierenden Differenzfrequenz dreht.

Beim Betriebsfall Lichtmaschine werden, wie dargelegt, die Wicklungen eines Statorteils mit einer Gleichspannung beauf­ schlagt. Diese induziert in den Wicklungen des entsprechenden Läuferteils bei mechanischer Drehung eine resultierende Spannung. Diese erzeugt über dem andern Läuferteil ein in Drehrichtung rotierendes Magnetfeld, welches im dazugehörigen Stator eine Wechselspannung induziert. Durch die Frequenzer­ höhung kann eine entsprechend höhere Leistung entnommen werden.

Die Fertigungskosten der elektrodynamischen Maschine können durch die vorgeschlagene Ausbildung von Käfigläufern erheblich reduziert werden, wobei die Läuferteile vorgefertigte Guß- oder Spritzteile sein können, die entsprechend mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Anzahl der Stableiter im jeweiligen Käfigläufer muß ≧ 3 sein. Mit Vergrößerung der Anzahl der Stäbe läßt sich der Schwingungsverlauf der indu­ zierten Frequenz in Richtung Sinusform verändern.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild des prinzipiellen mechanischen Auf­ baus der elektrodynamischen Maschine mit koaxial ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungspaaren,

Fig. 2a, b, c eine prinzipielle Darstellung der mechanischen (2a) und elektrischen (2b) Verschaltung der Läufer sowie die resultierenden Frequenzverhältnisse (Fig. 2c),

Fig. 3a, b die elektrische Verschaltung der Ständer beim Betrieb als elektrodynamische Lichtmaschine sowie eine Darstellung der resultierenden Frequenzkom­ ponenten, sowie

Fig. 4a, b und c eine Seitenansicht der Läuferteile der Maschine sowie eine Ansicht des Verbindungsbereiches der Käfigläufer und eine abgewickelte Darstellung der Läuferstäbe des Käfigläufers mit den entsprechenden elektrischen Verbindungen (Fig. 4c).

Die mit Hilfe der Fig. 1 dargestellte elektrische Maschine, welche als Synchrongenerator und/oder -motor betreibbar ist, umfaßt eine Läufer- oder Maschinenachse 1, welche drehbar in einem Gehäuse 2 gelagert ist. Am Gehäuse sind Ständerwick­ lungen 1* und 2* angeordnet. Die Ständerwicklungen 1* und 2* sind längs der Achse 1 beabstandet ausgebildet, wobei die Ständerwicklungen 1* und 2* mit zugehörigen Läuferwicklungen 3* und 4* jeweils ein Läufer-Ständerwicklungspaar bilden.

Die Ständerwicklungen erzeugen bei entsprechender Beaufschla­ gung z. B. bei ihrer Ausbildung als Drehfeldwicklungen mit Drehstrom ein radial ausgerichtetes Magnetfeld. Der Aufbau der Wicklungen entspricht demjenigen bekannter Elektromaschinen. Es sind sämtliche Wicklungsarten, Kombinationen und Anord­ nungen möglich, bei denen zwei zueinander axial angeordnete magnetische Felder oder Drehfelder erzeugt werden können. Die Anzahl der Pole und Polpaare ist grundsätzlich beliebig. Die Wicklungen können in Stern oder Dreieck verschaltet werden. Darüber hinaus kann bei der Funktionsweise der Maschine als Lichtmaschine die Ständerwicklung 1* als einfache Wicklung anstelle einer Drehfeldwicklung ausgebildet werden, da in diesem Fall die betreffende Ständerwicklung 1* mit Gleich­ spannung beaufschlagt wird.

Die Läuferwicklungen 3* und 4* sind elektrisch so miteinander verbunden, daß die Drehfeldwicklung des Läufers 3* in der jeweils anderen Drehfeldwicklung, d. h. derjenigen des Läufers 4* ein in entgegengesetzter Richtung drehendes Magnetfeld hervorruft.

Wie in der Fig. 2a prinzipiell dargestellt, können anstelle der Läuferwicklungen auch Läuferstäbe, die einen Käfigläufer bilden, verwendet werden. Die in der Fig. 2a mit dem Bezugs­ zeichen 3 versehenen Läuferstäbe sind, wie mit den unter­ brochenen Linien dargestellt, so verbunden, daß sich die gewünschte Drehfeldumkehr ergibt. Die Läuferstäbe 3 sind an ihren axialen Enden elektrisch kurzgeschlossen.

Hinsichtlich der elektrischen Verschaltung der Läuferwick­ lungen sei auf die Fig. 2b verwiesen, welche auch die anlie­ genden bzw. resultierenden Frequenzkomponenten erkennen läßt. Hierzu sei insbesondere auf die Fig. 2c verwiesen. Mit f2 wird in diesem Fall die Drehzahl der Läufer- bzw. Maschinenachse 1 bezeichnet. Fließt demnach in einer Ständerwicklung ein Dreh­ strom mit der Frequenz f1 und dreht sich der Läufer mit der Frequenz f2, so wird in der korrespondierenden Läuferwicklung ein Drehfeld mit der Frequenz f3 = f1-f2 induziert. Dieses Drehfeld erzeugt in der jeweils anderen Läuferwicklung ein entgegengesetztes Drehfeld mit der Frequenz f4 = -f3. Das Drehfeld in dieser Läuferwicklung induziert im korrespondie­ renden Ständer, d. h. in der jeweiligen Ständerwicklung ein Feld mit der Frequenz f5 = f2 + f4. Daraus folgt f5 = f2-(f1-f2) = 2 × f2-f1, d. h. die im entsprechenden Teil der Ständerwicklung induzierte Spannung hat bei einem Polpaar die doppelte Frequenz der Läuferdrehzahl minus der Frequenz der am ersten Drehfeld anliegenden Spannung.

Dreht sich der Läufer entgegen der Drehrichtung des Feldes aus der ersten Ständerwicklung, so erhöht sich die Frequenz des Feldes der zweiten Ständerwicklung um die doppelte Läufer­ drehzahl des ersten Feldes der ersten Ständerwicklung. Die Spannung im zweiten Drehfeld steigt entsprechend an und es wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Werden zwei unterschiedliche Frequenzen an den Ständerwick­ lungen 1* und 2* angelegt, so rotiert die Läuferachse 1 mit den entsprechenden Läuferwicklungen 3* und 4* synchron mit der nach f2 umgestellten oben genannten Beziehung. Zum Anlaufen muß die Läufer- bzw. Maschinenachse 1, wie bei Synchronmotoren üblich, auf eine entsprechende Anfangsdrehzahl beschleunigt werden. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel kann durch den Kurzschluß einer der Ständerwicklungen die Maschine in einen Asynchronbetrieb und daher zum Anlaufen gezwungen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Synchronmotor durch Verändern der Differenzfrequenz von null an auf einen vorbestimmten Wert hochzufahren. Vorzugsweise ist die elek­ trische Beschaltung der Maschine so auszurichten, daß im Stillstand die im Läufer induzierten Spannungen sich weit­ gehend aufheben, so daß ohne ein am Läufer wirkendes Dreh­ moment im Läufer keine nennenswerten Ströme fließen.

Das Betreiben des Motors oder Generators mit einer Gleich­ spannung an einer der Ständerwicklungen ist hinsichtlich der Beschaltung mit der Fig. 3a und den sich ergebenden Frequenz­ komponenten mit der Fig. 3b dargestellt.

In dem Moment, in dem die Frequenz des Drehfeldes der ersten Ständerwicklung gleich null ist, d. h. eine Gleichspannung anliegt, wird in der zweiten Ständerwicklung ein Drehfeld respektive eine Wechselspannung mit der doppelten Frequenz der Läuferdrehzahl induziert. Die Höhe der Spannung ist dabei ebenfalls abhängig von der Läuferdrehzahl.

Bei der Funktionsweise der elektrodynamischen Maschine als Motor werden demnach an den Ständerwicklungen Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen angelegt, so daß sich der Läufer mit der Hälfte der Summe der beiden Ständerfrequenzen synchron dreht. Bei einer Frequenz f1 = 50 Hz und einer Frequenz f5 = 30 Hz beträgt die Drehzahl des Läufers bei einem Polpaar auf beiden Ständerseiten (f1 + f5)/2 = 40 Hz. Bei einer Frequenz f1 = 50 Hz und einer Frequenz f5 = -50 Hz beträgt die Drehzahl des Läufers (f1 + f5)/2 0 Hz. Eine Drehzahl des Läufers von 25 Hz ist dann gegeben, wenn die Frequenz f1 = 50 Hz und die Frequenz f5 = 0 Hz beträgt.

Bei der Generatorfunktion der elektrodynamischen Maschine wird bei drehendem Läufer und Anliegen eines Ständerdrehfeldes in der zweiten Ständerwicklung eine Spannung induziert, deren Frequenz abhängig von der Läuferdrehzahl ist.

Bei einer Ständerfrequenz von f1 = -10 Hz und einer Drehzahl von 50 Hz, d. h. f2 = 50 Hz, beträgt die Frequenz der indu­ zierten Spannung 2 × f2-f1 = 110 Hz. Bei einer Frequenz des Ständerfeldes von f1 = 0 Hz und einer Drehzahl von f2 = 25 Hz ist die Frequenz der induzierten Spannung 50 Hz.

Der mechanische Aufbau sowie die elektrische Verschaltung der Läuferwicklungen sei anhand der Fig. 4a bis c näher be­ schrieben.

Die Fig. 4a zeigt zwei im Abstand zur Läuferachse 1 ausge­ bildete, Stableiter 4 umfassende Käfigläufer 5.

Die Stableiter 4 der Käfigläufer 5 sind an ihren freien axialen Enden elektrisch miteinander verbunden, d. h. kurzge­ schlossen. In einem Verbindungsabschnitt erstrecken sich entsprechende Teile der Stableiter 4 der jeweiligen Käfig­ läufer 5 im wesentlichen parallel zur Läuferachse 1 inein­ ander, wobei die einzelnen Stableiter 4 des jeweiligen Käfig­ läufers 5 derart gegeneinander in Rotationsrichtung winkel­ verschoben, d. h. verdreht sind, daß eine elektrische Verbin­ dung durch einfache Brücken 7 (Fig. 4b) gegeben ist. Durch diese konstruktive Anordnung lassen sich sowohl Isolations­ probleme lösen als auch besonders einfache Verbindungen ausgestalten.

Zur Fig. 4b sei angemerkt, daß der unterschiedliche Durch­ messer der jeweiligen Käfigläufer 5 nur aus Gründen der zeichnerischen Übersichtlichkeit gewählt wurde.

Die Realisierung der elektrischen Verbindung kann dadurch erfolgen, daß die Stableiter 4 beider Käfigläufer 5 wie erwähnt in einem vorgegebenen Abstand zur Läuferlängsachse 1 über den Verbindungsabschnitt 6 parallel zueinander laufen und Brücken in Form von Kreisbögen (nicht dargestellt) quer über den Stäben isoliert von diesen angeordnet sind, wobei diese wiederum an den entsprechenden Stellen durch leitfähige Stege mit den Stableitern 4 elektrisch verbindbar sind.

Die elektrische Verbindung der Stableiter 4 der Käfigläufer 5 ist anhand der Abwicklung nach Fig. 4c nachvollziehbar.

Die Stableiter bzw. die Käfigläufer können im Verbindungsab­ schnitt 6 durch vorgefertigte mechanisch und elektrisch wir­ kende Kontaktteile, die als Guß- oder Spritzteile herstellbar sind, kostengünstig montiert werden.

Die mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene elektrodynamische Maschine erreicht in ihrer Betriebsweise als Motor hohe Dreh­ momente auch im Bereich niedriger Drehzahlen.

Die Regelleistungen sind sowohl bei Motor- als auch Genera­ torfunktion kleiner als die Antriebs- bzw. Generatorleistung. Die Anwendungsmöglichkeiten der Maschine liegen beispielsweise bei dem Einsatz als Servomotor, Synchronantrieb und genera­ torseitig bei einer bürstenlosen Lichtmaschine für Kraftfahr­ zeuge und als Frequenzwandler. Es sei an dieser Stelle noch­ mals angemerkt, daß die Ständerwicklungen sowohl mehrphasig als auch einphasig ausgelegt sein können, wobei die Läufer­ wicklungen als Käfigläufer ausgebildet sind, die bevorzugt zwischen den entsprechenden Abschnitten der zueinanderwei­ senden Käfigläufer elektrisch so verschaltet werden, daß ein Drehfeld in der Wicklung des einen Käfigläufers ein entgegen­ gesetzt rotierendes Drehfeld in der Wicklung des gegenüber­ liegenden Käfigläufers erzeugt.

Bezugszeichenliste

1

Läuferachse/Maschinenachse

2

Gehäuse

1

*,

2

* Ständerwicklung

3

*,

4

* Läuferwicklung

3

Läuferstäbe

4

Stableiter

5

Käfigläufer

6

Verbindungsabschnitt

7

Brücken

Claims (5)

1. Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor mit zueinander ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungspaaren jeweils beliebiger Polpaarzahl, welche längs der Maschinenachse angeordnet sind, wobei die Läufer elektrisch und mechanisch verbundene Drehfeldwicklungen aufweisen, welche gegensinnig rotierende Felder erzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Motorbetrieb der Maschine die Ständerwicklungen der Wicklungspaare jeweils mit Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt sind, wobei sich in Abhängigkeit von der Differenzfrequenz ein freies Drehmoment an den verbundenen Läufern einstellt;
bei Generatorbetrieb der Maschine ein äußeres Drehmoment in Drehrichtung an den verbundenen Läufern oder der Maschinen­ achse angreift, welches im nicht fremderregten Teil der Ständerwicklung eine abgreifbare Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die von dem 2fachen der Läuferdrehzahl, der Erreger­ frequenz und der Polpaarzahl der Ständer- und der Erreger­ wicklung abhängt.

2. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung eines ersten der Wicklungspaare mit einer Gleichspannung beaufschlagt ist und an den verbundenen Läufern ein äußeres Drehmoment einwirkt derart, daß sich an der Ständerwicklung eines zweiten der Wicklungspaare eine induzierte Wechselspannung einstellt.

3. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlaufen der Maschine ein zeitweiser Übergang in den asynchronen Betrieb erfolgt, in dem die Wicklungen eines Ständers kurzgeschlossen sind.

4. Elektrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verbundenen Läufer als mit jeweils mindestens drei Stableitern versehene Käfigläufer ausgebildet sind, wobei die Stableiter außen kurz geschlossen und an den zueinander weisenden Enden drehfeldumkehrend verbunden sind.

5. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stableiter des Läufers eines ersten der Wicklungspaare sich in einem Verbindungsabschnitt im wesentlichen parallel in den Käfig der Stableiter des Läufers eines zweiten der Wick­ lungspaare hineinerstrecken und derart gegeneinander in Rotationsrichtung winkelverschoben sind, daß korrespondierende Stableiterenden bei gleichzeitiger elektrischer Isolation nicht korrespondierender Abschnitte mittels Brücken oder dergleichen verbindbar sind.