DE2200749C3 - Induktormaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktormaschine mit einem wicklungslosen, gezahnten Läufer und mit einem Ständer mit einer in dessen Nuten angeordneten Mehrphasenerregerwicklung, die an eine i< > Mehrphasenstromquelle mit veränderbarer Frequenz angeschlossen ist, und mit einer Ein- oder Mehrphasenankerwicklung, deren jede Phase aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Strängen besteht, die aus einzelnen Spulen gebildet sind. Eine Maschine dieser Art ist aus der DE-PS 7 00 931 bekannt und kann überall dort Verwendung finden, wo die Ausgangsfrequenz eines Generators wählbar sein soll und an ihre Stabilität hohe Anforderungen gestellt werden.

Bei dieser bekannten Maschine ist eine deich-Stromerregung oder eine Erregung durch Wechselstrom konstanter und niedriger Frequenz vorgesehen, wobei die Zahl der Erregerpolpaare e-n Vielfaches der Phasenzahl ist und die Ausgangsfrequenz ausschließlich durch die magnetische Flußverkettung aufgrund des sich drehenden gezahnten Läufers erhalten wird.

Gleiches gilt für eine noch aus der US-PS 34 52 229 bekannten Maschine, bei der jedoch nur eine Gleichstromerregung Anwendung findet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine konstruktiv einfache Induktormaschine zu schaffen, bei der die Ausgangsfrequenz außer durch die Drehzahl des Läufers auch noch durch die Frequenz des Erregungsstroms beeinflußbar ist, und zwar bei beliebiger Phasenzahl am Ausgang. ss

Ausgehend von einer Maschine der eingangs beschriebenen Art wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Strängezahl jeder Phase der Ankerwicklung der Phasenzahl der Erregerwicklung entspricht, jeder Strang von seiner fto Erregerwicklungsphase erregt wird und die Spulen eines Strangs gegenüber entsprechenden Spulen des anderen Strangs um einen elektrischen Winkel versetzt sind, der dem Winkel zwischen zwei benachbarten Vektoren des Erregerspannungssystems gleich ist. (^

Eine solche Induktormaschine kann als Ein- oder Mehrphasengenerator stabiler Frequenz, als Generator veränderlicher Frequenz, Drehzahlgeber od. dgl. verwendet werden. Sie kann ohne jeden Umbau auch als übliche Induktormaschine mit Gleichstromspeisung der Erregerwicklung eingesetzt werden.

Ein Versuchsmuster der vorgeschlagenen Induktormaschine hatte bei einer konstanten Drehzahl von 3000 LVmin folgende Daten:

Leistung 25 kVA Phasenzahl der Ankerwicklung 1 Phasenzahl der Erregerwicklung 2 Leistungsfaktor (cos φ) 0,35 (kap.) Frequenz des Erregerstroms 0 - 400 Hz

Frequenz am Ausgang 1850 - 2650 Hz Frequenz der EMK der Rotation

(bei der Erregung mit Gleichstrom) 2250 Hz

Gewicht 240 kp

Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung von A_usführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Induktormaschine mit Einphasenankerwicklung und Zweiphasenerregerwicklung,

Fig. 2 eine Induktormaschine mit Dreiphasenankerwicklung und Dreiphasenerregerwicklung.

Die Induktormaschine gemäß F i g. 1 besteht aus einem wicklungslosen, gezahnten Läufer 1 und einem Ständer 2 mit vier Polschuhen 3, die Ständerzähne 4 haben, die mit Nuten wechseln. Die Zahnzone jeden Polschuhes 3 und die auf ihren Zähnen 4 angeordneten Spulen 5 der Ankerwicklung sind nach dem Typ der klassischen Einphaseninduktormaschine mit einer Zahnteilung der Ständerzähne ausgeführt, welche die Hälfte der der Läuferzähne ausmacht, wobei benachbarte Zähne 4 gegenläufig bewickelt sind. Jeder der Polschuhe 3 hat eine eigene Erregerspule 6. Dieses Zweiphasenerregungssystem besteht aus zwei Erregerspulen 6 für jede Phase, die sich an diametral entgegengesetzten Polschuhen befinden. Die eine Erregungsphase wird durch die Erregerwicklung A\~X\ gebildet und die zweite Phase durch die Wicklung A₂ — X₂.

Eine erste Besonderheit der nach F i g. 1 ausgeführten Induktormaschine besteht darin, daß die Raumversetzung zwischen den benachbarten Polschuhen 3 oder, genauer gesagt, zwischen der Spule 5 der Ankerwicklung des einen Polschuhes 3 und der entsprechenden Spule 5 der Ankerwicklung des benachbarten Polschuhes 90° el. beträgt und der zeitlichen Phasenverschiebung des hier zur Anwendung kommenden Zweiphasenerregungssystems genau entspricht.

Die zweite Besonderheit besteht darin, daß eine Gruppe oder ein Zweig der Spulen 5 der Ankerwicklung, die von der Erregerwicklung A\—X\ der ersten Erregungsphase umfaßt wird, mit dem Strang in Reihe verbunden werden muß, der aus den Spulen 5 der Ankerwicklung besteht, die von der Erregerwicklung A₂ - X₂ der zweiten Erregungsphase umfaßt sind.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Induktormaschine nach F i g. 1 beim Leerlauf betrachtet.

Bei der Speisung der Erregerwicklung A\-X\ mit sinusförmig mit der Winkelfrequenz (Di zeitveränderlichem Wechselstrom und bei einer Änderung der magnetischen Leitfähigkeit der Ständerzähne 4 mit der Winkelfrequenz 0)2, die durch die Rotation des verzahnten Läufers 1 bedingt ist, werden die Flußverkettung ψι der ersten Gruppe der Spulen der Ankerwicklung, welche von der Erregerwickking A\-X\ umfaßt sind, und die in diesen induzierte EMK E\ zeitlich wie folgt verlaufen ·

22 OO 749

ι/, = k sin Ci₁ ι ■ sin .M₂ ι

= ^ k [cos (ι·., — t·,,) ι — cos (.., + .M₂) ί] :

Dabei ist Jt ein Proportionalitätsfaktor, ί aer !aufende Zeitparameter und ~ die Ableitung nach der Zeit

Pl

Pl

Physikalisch entspricht das dem bekannten Umstand, daß die mit der Frequenz ω, amplitudenmodulierten Schwingungen einer Trägerfrequenz o>₂ als Überlagerung der zwei Schwingungen dargestellt werden können, von denen jede amplitudenkonstan: ist, wobei ihre Frequenzen der Summe und der Differenz der Frequenzen u>\ und o>2 gleich sind.

Durch die zweite Erregerwicklung A₂- X₂ fließt ein Wechselstrom der gleichen Größe mit der Winkelfrequenz o>i der zweiten Phase des Zweiphasenerregungssystems mit einer Zeitverschiebung von 90° el. in bezug auf die erste Phase. Her Ausdruck für die Flußverkettung ψ2 der Spulengruppe der Ankerwicklung, de von der Wicklung A2-X2 umfaßt ist, und für die in dieser induzierte EMK E₂ wird unter Berücksichtigung ihrer Raumversetzung von 90° el. bei gleichem laufendem Zeitparameter ί folgende Form haben:

= k sin (ι·ι, 1 + 90 ) sin {r,₂t + 90

= _Ί k

-<·,₂) ί + cos (ι..,

'■ V₂ ei

Bei der Reihenschaltung der beiden Zweige der Ankerwicklung wird an den Klemmen A-X die resultierende EMK

E = E\ ±

= k (a>\ ± a>₂) sin (ω\ ± O)₂) t sind an jedem Polschuh Zähne vorhanden, die einander gegenüber elektrisch um 60° el. versetzt sind, was bei den sechs Zähnen 10 an einem Polschuh eine symmetrische Dreiphasenzahnzone zu bilden gestattet. Die Erregerspulen L/i - iA, U₂- Us und Ui- (A umfassen je einen Polschuh 9 und sind an die einzelnen Phasen der Drehstromspeisequelle des Erregerstromkreises angeschlossen.

Eine kennzeichnende Besonderheit dieser Induktormaschine besteht darin, daß die Raumversetzung zwischen der Spule 11 der Ankerwicklung des einen Polschuhes 9 und der entsprechenden Ankerspule 11 der Ankerwicklung des benachbarten Polschuhes 120° el. ist und also der zeitlichen Phasenverschiebung des hier zur Anwendung kommenden Dreiphasenerregersystems entsprechen muß.

Die zweite Besonderheit besteht darin, daß die Spulen 11, welche ein und derselben Phase der Ankerwicklung angehören und auf verschiedenen Polschuhen 9 angeordnet sind, untereinander in Reihe geschaltet sind.

Die zu der ersten Phase gehörenden Spulen 11 bilden also die Ankerwicklung Q — G, die zu der zweiten Phase gehörenden Spulen 11 bilden die Ankerwicklung C₂- C5, und die zu der dritten Phase gehörenden Spulen bilden die Ankerwicklung C₃-C Diese drei Ankerwicklungen stellen die Ausgangsphasen des Dreiphasensystems dar.

Betrachten wir jetzt die Arbeit der vorliegenden Induktormaschine beim Leerlauf:

Bei der Speisung der Erregerspulen U\ — Ua, U2 — LA, U₃-U₆ von den einzelnen Phasen einer Dreiphasenstromquelle mit der Winkelfrequenz ω\ und bei der Änderung der magnetischen Leitfähigkeit des Spaltes mit der Winkelfrequenz o>₂ ist der Verkettungsfluß ψ₃ der Ankerwicklung Q — G zu ermitteln.

Der Verkettungsfluß ψ3 der Ankerwicklung Ci-G wird sich unter Berücksichtigung der Verbindung und der Versetzung der Spulen 11 der Ankerwicklung an den verschiedenen Polschuhen 9 und der Phasenverschiebung des Erregerstroms (beide Verschiebungen sind einander gleich und betragen 120° el.) zeitlich nach folgendem Gesetz verändern:

■45 ν'j = k ■ sin im, f · sin Im₂ ί + λ · sin («μ, · ι + 120 )■ sin (-I₂I + 120 ) + k sin (.., t + 240 )· sin (im₂ t + 240)

= ₁ k ■ sin (.M₁ - IM₂) I.

Das Vorzeichen ± ist hier deshalb genommen, weil die Reihenschaltung der zwei Zweige entweder gleich- oder gegensinnig ausgeführt werden kann.

Daraus ist ersichtlich, daß die EM K-Frequenz der Ankerwicklung A -X durch die Änderung der Erregerstromfrequenz geändert werden kann.

Ein ähnlicher Ausdruck kann auch bei der belasteten Maschine erhalten werden.

Die in F i g. 2 gezeigte Induktormaschine besteht aus einem Zahnläufer 7 und einem Ständer 8 mit drei Polschuhen 9, welche Ständerzähne 10 haben, die mit den Nuten wechseln. Die Zahnzone eines jeden Polschuhes 9 ist mit auf ihren Zähnen 10 angeordneten Spulen U der Ankerwicklung nach dem Typ der Dreiphasen-Induktormaschine autgeführt. In Fig. 2 Die in der Ankerwicklung Ci-G induzierte EMK £3 wird entsprechend

«' V¹J

(.·., --I₂) ■ sin (.-., -.M₂) ι

sein.

Analog dazu werden die EMK & in der Ankerwicklung C₂-G und die EMK Ei in der Ankerwicklune

22 OO 749

i — G. in der Induktormaschine

_ 3
^{4 =} 2

sin [(.

120

.,j) / 4 240

In den Ankerwicklungen Q - G, Cj — C5 und Ci-G, hat also das Dreiphasensystem die EMK Ei, £4, £5 mit der Frequenz, die der Differenz zwischen der Winkelfrequenz des Erregerstroms und der Frequenz gleich ist, die durch die Rotation des Zahnläufers 7 in bezug auf die Zähne 10 des Ständers 8 bedingt ist.

Es liegt auf der Hand, daß beim Anschließen der Erregerwicklungen U\ — Ua, Ui- Ui und L/j— (Λ an ein gegenläufiges Dreiphasensystem (d. h., der Verschiebungswinkei der Ströme in den Erregerwicklungen win minus 120° sein) und bei der Beibehaltung derselbei Drehrichtung des Läufers 7 die in den Ankerwicklungei Ci - G, C₂ - C₅und d-Cberzeugten EMK Ei, E, und £ die Summenfrequenz haben werden.

Analog zu den beschriebenen Varianten (F i g. 1 uni 2)deir Induktormaschinen können Formeln für die EMK der vorgeschlagenen Induktormaschine bei beliebige anderer Phasenzahl der Erregerwicklung (außer Ein phasenwicklung) und mit beliebiger Phasenzahl de Ankerwicklung erhalten werden.

Es ist abschließend hervorzuheben, daß die in Fig. gezeigte Induktormaschine auch für ein Vierphasener regersystem geeignet sein kann, wenn man in jeder de vier Erregerspulen 6 einzelne Herausführungen mach und sie an die einzelnen Phasen des Vierphasensystem der Erregerspeisung anschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 22 OO

   Patentanspruch:

   Induktormaschine mit einem wicklungslosen, gezahnten Läufer und mit einem Ständer mit einer in dessen Nuten angeordneten Mehrphasenerregerwicklung, die an eine Mehrphasenstromquelle mit veränderbarer Frequenz angeschlossen ist, und mit einer Ein- oder Mehrphasenankerwicklung, deren jede Phase aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Strängen besteht, die aus einzelnen Spulen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strängezahl jeder Phase der Ankerwicklung (S; 11) der Phasenzahl der Erregerwicklung (6) entspricht, jeder Strang von seiner Erregerwicklungsphase (A,-X_u A₂-X₂; U,-Ui, U₂-U^ Uj- Ub) erregt wird und die Spulen des einen Stranges gegenüber entsprechenden Spulen des anderen Stranges um einen elektrischen Winkel versetzt sind, der dem Winkel zwischen zwei benachbarten Vektoren des Erregerspannungsystems gleich ist