WO1998059410A1 - Electrodynamic machine, especially a synchronous alternator and/or motor - Google Patents

Electrodynamic machine, especially a synchronous alternator and/or motor Download PDF

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WO1998059410A1
WO1998059410A1 PCT/EP1998/003845 EP9803845W WO9859410A1 WO 1998059410 A1 WO1998059410 A1 WO 1998059410A1 EP 9803845 W EP9803845 W EP 9803845W WO 9859410 A1 WO9859410 A1 WO 9859410A1
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Frank Eckert
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/16Synchronous generators
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    • HELECTRICITY
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators

Definitions

  • Electrodynamic machine namely synchronous generator and / or motor
  • the invention relates to an electrodynamic machine, namely a synchronous generator and / or motor with mutually aligned rotor and stator winding pairs of any number of pole pairs, which are arranged along the machine axis, the electrically and mechanically connected rotors having rotating field windings which rotate in opposite directions with respect to the rotor Create fields.
  • the windings of the runners are cross-connected electrically.
  • the stator windings are connected in parallel and are subjected to a constant frequency.
  • Windings of the stators in the event of an undesirable phase shift are Windings of the stators in the event of an undesirable phase shift.
  • Training includes.
  • the basic idea of the invention is now to start from a machine which has mutually aligned rotor and stator winding pairs which are arranged along a common machine axis.
  • the rotors have electrically and mechanically connected rotating field windings, which are able to generate fields rotating in opposite directions by a conductive connection or corresponding wiring that reverses the rotating field.
  • the stator windings of the pairs of windings are each energized with an alternating voltage of different frequency, a free, tapped torque being established on the connected rotors or the rotor axis depending on the difference frequency.
  • an external torque acts in the direction of rotation on the connected rotors or the Machine rotor axis, which in a non-externally excited part of the stator generates a voltage that can be tapped at a frequency that results from the rotor speed, the excitation frequency of the exciting stator or stator and the respective number of poles.
  • a synchronous generator and motor of the electrical machine such that e.g. an internal combustion engine is started by the machine rotating at variable frequencies applied to the stator windings by the induced voltages and currents in the rotor.
  • a torque can act on the rotor via the mechanical connection between the output side of the internal combustion engine and the machine axis, in which case the machine acts as a generator and feeds into the network or generates electrical energy .
  • Stator of a first of the winding pairs can be supplied with a DC voltage.
  • an external torque acts on the connected rotors or the machine or rotor axis in such a way that an induced alternating voltage is established on the stator of a second one of the winding pairs, so that the function of an alternator results.
  • the machine By temporarily shorting the windings of a stator, the machine can be forced to start in asynchronous mode.
  • the mechanical action of a minimum speed or a minimum torque that is otherwise necessary for the operation of a synchronous machine can therefore be dispensed with.
  • the runners according to the invention arranged on the common machine axis each consist of at least three rod conductors which form a cage rotor.
  • the rod conductors are short-circuited at the outer end and connected to the ends facing each other in a manner that reverses the field of rotation.
  • the rod conductors of the rotor of a first of the winding pairs are preferably formed in a connecting section essentially parallel to the cage of the conductor conductors of the rotor of a second of the winding pairs and there are angularly displaced relative to one another in such a way that corresponding rod conductor ends with simultaneous electrical insulation of non-corresponding sections by means of simple Bridges or the like can be connected.
  • the stator windings can be operated both with a constant and variable frequency and also with two frequencies that are variable in each case, whereby the principle of the invention is that different factors are used to obtain a corresponding torque or to set a desired speed Field frequencies are required.
  • stator windings always have different field frequencies with respect to one another with the same number of pole pairs and with different mechanical speeds and also different generated frequencies.
  • stator excitation field is changed accordingly with a variable rotor frequency, or with a constant excitation frequency
  • the frequency in the second stator winding changes with the rotor speed.
  • Motor and generator functions of the electrodynamic machine are distinguished by the fact that in both cases different magnetic field frequencies can be recorded on the respective stator windings and the rotor rotates depending on the resulting difference frequency.
  • the windings of a stator part are supplied with a DC voltage. This induces a resultant in the windings of the corresponding rotor part upon mechanical rotation
  • the manufacturing costs of the electrodynamic machine can be considerably reduced by the proposed design of squirrel-cage rotors, whereby the rotor parts can be prefabricated cast or injection-molded parts that are mechanically and electrically connected accordingly.
  • the number of rod conductors in each cage runner must be ⁇ 3. As the number of rods increases, the waveform of the induced frequency can be changed in the direction of a sinusoidal shape.
  • FIG. 1 is a sectional view of the basic mechanical structure of the electrodynamic machine with coaxially aligned rotor and stator winding pairs
  • the electrical machine shown with the aid of FIG. 1, which can be operated as a synchronous generator and / or motor, comprises a rotor or machine axis 1, which is rotatably mounted in a housing 2.
  • Stator windings 1 * and 2 * are arranged on the housing.
  • the stator windings 1 * and 2 * are spaced apart along the axis 1, the stator windings 1 * and 2 * with associated rotor windings 3 * and 4 * each forming a rotor-stator winding pair.
  • the stator windings When appropriately loaded, the stator windings generate e.g. in its formation as three-phase windings with three-phase current, a radially aligned magnetic field.
  • the structure of the windings corresponds to that of known electrical machines. All types of windings, combinations and arrangements are possible in which two magnetic fields or rotating fields arranged axially to one another can be generated.
  • the number of poles and pole pairs is basically arbitrary.
  • the windings can be connected in star or delta.
  • stator winding 1 * can be designed as a simple winding instead of a rotating field winding, since in this case the stator winding 1 * in question is supplied with direct voltage.
  • the rotor windings 3 * and 4 * are electrically connected to one another in such a way that the rotating field winding of the rotor 3 * in the other rotating field winding, i.e. that of the rotor 4 * causes a rotating magnetic field in the opposite direction.
  • rotor bars that have a squirrel-cage rotor can also be used form, be used.
  • the rotor bars provided with the reference symbol 3 in FIG. 2a are connected, as shown by the broken lines, in such a way that the desired reversal of the rotating field results.
  • the rotor bars 3 are electrically short-circuited at their axial ends.
  • FIG. 2b shows the frequency components present or resulting.
  • the frequency of the field of the second stator winding increases by twice the rotor speed of the first field of the first stator winding.
  • the voltage in the second rotating field increases accordingly and mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the rotor axis 1 rotates with the corresponding rotor windings 3 * and 4 * synchronously with the above-mentioned relationship changed to f2.
  • the rotor or machine axis 1 must be accelerated to a corresponding initial speed, as is usual with synchronous motors.
  • the machine is in an asynchronous mode and therefore forced to start.
  • the electrical circuitry of the machine should preferably be designed so that the voltages induced in the rotor largely cancel each other at a standstill, so that no appreciable currents flow in the rotor without a torque acting on the rotor.
  • the level of tension is also dependent on the rotor speed.
  • a voltage is induced in the second stator winding when the rotor is rotating and a stator rotating field is present, the frequency of which is dependent on the rotor speed.
  • the frequency of the induced voltage is 50 Hz.
  • 4a shows two squirrel-cage rotors 5 which are formed at a distance from the rotor axis 1 and comprise a stable conductor 4.
  • the rod conductors 4 of the squirrel-cage rotors 5 are electrically connected to one another at their free axial ends, i.e. short-circuited.
  • corresponding parts of the bar ladder 4 of the respective cage runner 5 extend into one another essentially parallel to the rotor axis 1, the individual bar ladder 4 of the respective cage runner 5 thus being angularly displaced relative to one another in the direction of rotation, i.e. are twisted that an electrical connection is given by simple bridges 7 (Fig. 4b).
  • This constructive arrangement enables both insulation problems to be solved and particularly simple connections to be designed.
  • the electrical connection can be realized in that the rod conductors 4 of both squirrel-cage rotors 5 run parallel to one another at a predetermined distance from the longitudinal axis 1 of the rotor via the connecting section 6, and bridges in the form of arcs (not shown) are arranged isolated from the bars across them are, which in turn can be electrically connected to the conductor bars 4 at the corresponding points by conductive webs.
  • the electrical connection of the rod conductor 4 of the cage rotor 5 can be traced on the basis of the development according to FIG. 4c.
  • the rod conductor or the squirrel-cage rotor can be inexpensively installed in the connecting section 6 by means of prefabricated mechanically and electrically acting contact parts which can be produced as cast or injection-molded parts.
  • the electrodynamic machine described with the exemplary embodiment in its operating mode as a motor, achieves high torques even in the range of low speeds.
  • the control power is lower than the drive or generator power for both motor and generator functions.
  • the machine can be used, for example, as a servo motor, synchronous drive and on the generator side in a brushless alternator for motor vehicles and as a frequency converter.
  • stator windings can be designed to be both multi-phase and single-phase, the rotor windings being designed as squirrel-cage rotors, which are preferably electrically connected between the corresponding sections of the mutually facing squirrel-cage rotors in such a way that a rotating field in the winding of the one squirrel-cage rotor produces an oppositely rotating rotating field in the winding of the opposite squirrel-cage rotor.

Abstract

The invention relates to an electrodynamic machine, especially a synchronous generator and/or motor, comprising rotor and stator coil pairs, each having any number of pole pairs. Said rotor and stator coil pairs are aligned in relation to each other and are situated along the machine axle. The rotors have electrically and mechanically connected rotating field coils which generate fields rotating in the opposite direction to the rotor. When the machine is operating as a motor, the stator coils of the coil pairs are each subjected to an alternating voltage of varying frequency and a free torque is introduced to the connected rotors or the rotor axle in dependence on the difference frequency. When the machine is operating as a generator, an outer torque acts upon the connected rotors or the rotor axle in the direction of rotation and produces a measurable voltage in a non-externally excited part of the stator. The frequency of said voltage depends on the rotary speed of the rotor, the number of pole pairs of both rotor parts, the stator parts and the excitation frequency.

Description

Elektrodynamische Maschine, nämlich Synchrongenerator und/oder -motor Electrodynamic machine, namely synchronous generator and / or motor
Beschreibungdescription
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 verbundenen Läufer Drehfeldwicklungen aufweisen, welche in bezug auf den Läufer gegensinnig rotierende Felder erzeugen.The invention relates to an electrodynamic machine, namely a synchronous generator and / or motor with mutually aligned rotor and stator winding pairs of any number of pole pairs, which are arranged along the machine axis, the electrically and mechanically connected rotors having rotating field windings which rotate in opposite directions with respect to the rotor Create fields.
Aus der euopäischen Patentanmeldung EP 0 311 717 AI ist ein Synchrongenerator bekannt, welcher zwei beabstandete Statoren aufweist. Die Statoren umschließen zwei auf einer Achse beabstandet angeordnete Läufer, die elektrische Wicklungen aufweisen.From the European patent application EP 0 311 717 AI a synchronous generator is known which has two spaced stators. The stators enclose two rotors, which are spaced on an axis and have electrical windings.
Die Wicklungen der Läufer sind über Kreuz miteinander elektrisch verbunden. Die Statorwicklungen sind parallel geschaltet und werden mit einer konstanten Frequenz beaufschlagt .The windings of the runners are cross-connected electrically. The stator windings are connected in parallel and are subjected to a constant frequency.
Beim Betreiben des bekannten Synchrongenerators mit konstanter Frequenz bzw. jeweils gleicher Feldfrequenz in den Wicklungen_ oder Statoren führt jedoch zu einer unbefriedigenden Arbeitsweise mit extrem schlechtem Wirkungsgrad. Letztendlich ent- stehen störende Oberwellen, die für die Anwendung des Synchrongenerators ebenfalls von Nachteil sind. Eine vorgeschlagene frequenzseitige Trennung beim Beaufschlagen der Statorwicklungen mit Wechselspannung dient lediglich der Justage durch gegenseitiges Verdrehen derHowever, when the known synchronous generator is operated at a constant frequency or respectively the same field frequency in the windings or stators, this leads to unsatisfactory operation with extremely poor efficiency. Ultimately, there are disturbing harmonics, which are also disadvantageous for the application of the synchronous generator. A proposed separation on the frequency side when the stator windings are subjected to alternating voltage is only used for adjustment by mutual rotation of the
Wicklungen der Statoren im Falle einer unerwünschten Phasenverschiebung .Windings of the stators in the event of an undesirable phase shift.
Ausgehend von dem kurz umrissenen bekannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrodynamischeBased on the briefly outlined known prior art, it is therefore an object of the invention to provide an electrodynamic
Maschine der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß diese sowohl als Synchrongenerator und/oder -motor bzw. als Lichtmaschine eingesetzt werden kann, wobei eine kostengünstige mechanische und elektrische Konstruktion anzugeben ist, die darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad unter allen Betriebsarten gewährleistet .Develop machine of the generic type so that it can be used both as a synchronous generator and / or motor or as an alternator, an inexpensive mechanical and electrical construction is to be specified, which also ensures high efficiency in all modes.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen undThe object of the invention is achieved with an object according to the features of patent claim 1, the subclaims being at least useful configurations and
Weiterbildungen umfassen.Training includes.
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 drehfeidumkehrende leitende Verbindung bzw. entsprechende Verdrahtung in der Lage sind, gegensinnig rotierende Felder zu erzeugen.The basic idea of the invention is now to start from a machine which has mutually aligned rotor and stator winding pairs which are arranged along a common machine axis. The rotors have electrically and mechanically connected rotating field windings, which are able to generate fields rotating in opposite directions by a conductive connection or corresponding wiring that reverses the rotating field.
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.According to the invention, during motor operation of the machine, the stator windings of the pairs of windings are each energized with an alternating voltage of different frequency, a free, tapped torque being established on the connected rotors or the rotor axis depending on the difference frequency.
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 .When operating the machine as a generator, an external torque acts in the direction of rotation on the connected rotors or the Machine rotor axis, which in a non-externally excited part of the stator generates a voltage that can be tapped at a frequency that results from the rotor speed, the excitation frequency of the exciting stator or stator and the respective number of poles.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit des kombinierten Betriebes als Synchrongenerator und -motor der elektrischen Maschine dergestalt, daß z.B. ein Verbrennungsmotor dadurch angelassen wird, daß die Maschine über variable Frequenzen, die an die Ständerwicklungen 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 Drehmoment 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 Generatordrehzahl und dadurch eine Leistungsregelung erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention there is the possibility of combined operation as a synchronous generator and motor of the electrical machine such that e.g. an internal combustion engine is started by the machine rotating at variable frequencies applied to the stator windings by the induced voltages and currents in the rotor. As soon as the internal combustion engine reaches its operating speed, a torque can act on the rotor via the mechanical connection between the output side of the internal combustion engine and the machine axis, in which case the machine acts as a generator and feeds into the network or generates electrical energy . By increasing or decreasing the variable frequencies, assuming constant engine torque, which is not a condition, however, a change in the generator speed and thereby a power control can be achieved.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung kann derAccording to a further basic idea of the invention, the
Ständer eines ersten der Wicklungspaare mit einer Gleichspannung 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 .Stator of a first of the winding pairs can be supplied with a DC voltage. In this case, an external torque acts on the connected rotors or the machine or rotor axis in such a way that an induced alternating voltage is established on the stator of a second one of the winding pairs, so that the function of an alternator results.
Durch zeitweises Kurzschließen der Wicklungen eines Ständers kann die Maschine zum Anlaufen in den Asynchronbetrieb gezwungen werden. Das ansonsten für den Betrieb einer Synchronmaschine notwendige mechanische Einwirken einer Mindestdrehzahl bzw. eines Mindestdrehmoments auf die Maschinenachse kann daher entfallen. Die erfindungsgemäßen auf der gemeinsamen Maschinenachse angeordneten Läufer bestehen bei einer bevorzugten Ausführungsform aus jeweils mindestens drei Stableitern, die einen Käfigläufer bilden.By temporarily shorting the windings of a stator, the machine can be forced to start in asynchronous mode. The mechanical action of a minimum speed or a minimum torque that is otherwise necessary for the operation of a synchronous machine can therefore be dispensed with. In a preferred embodiment, the runners according to the invention arranged on the common machine axis each consist of at least three rod conductors which form a cage rotor.
Die Stableiter sind am außenseitigen Ende kurzgeschlossen und an den zueinanderweisenden Enden drehfeidumkehrend verbunden.The rod conductors are short-circuited at the outer end and connected to the ends facing each other in a manner that reverses the field of rotation.
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 gleichzeiter 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.The rod conductors of the rotor of a first of the winding pairs are preferably formed in a connecting section essentially parallel to the cage of the conductor conductors of the rotor of a second of the winding pairs and there are angularly displaced relative to one another in such a way that corresponding rod conductor ends with simultaneous electrical insulation of non-corresponding sections by means of simple Bridges or the like can be connected. To operate the electrical machine as a motor, the stator windings can be operated both with a constant and variable frequency and also with two frequencies that are variable in each case, whereby the principle of the invention is that different factors are used to obtain a corresponding torque or to set a desired speed Field frequencies are required.
Im Sinne der Erfindung haben die Ständerwicklungen stets zueinander unterschiedliche Feldfrequenzen bei gleicher Polpaarzahl und bei unterschiedlicher mechanischer Drehzahl auch unterschiedliche generierte Frequenzen.For the purposes of the invention, the stator windings always have different field frequencies with respect to one another with the same number of pole pairs and with different mechanical speeds and also different generated frequencies.
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 Veränderung der Frequenz in der zweiten Ständerwicklung. Motor- und Generatorfunktionen der elektrodynamischen Maschine zeichnen sich dadurch aus, daß in beiden Fällen an den jeweiligen 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 beaufschlagt. Diese induziert in den Wicklungen des entsprechenden Läuferteils bei mechanischer Drehung eine resultierendeIn order to obtain a constant output frequency in generator operation, the stator excitation field is changed accordingly with a variable rotor frequency, or with a constant excitation frequency, the frequency in the second stator winding changes with the rotor speed. Motor and generator functions of the electrodynamic machine are distinguished by the fact that in both cases different magnetic field frequencies can be recorded on the respective stator windings and the rotor rotates depending on the resulting difference frequency. In the alternator operating case, as stated, the windings of a stator part are supplied with a DC voltage. This induces a resultant in the windings of the corresponding rotor part upon mechanical rotation
Spannung. Diese erzeugt über dem andern Läuferteil ein in Drehrichtung rotierendes Magnetfeld, welches im dazugehörigen Stator eine WechselSpannung induziert. Durch die Frequenzerhöhung kann eine entsprechend höhere Leistung entnommen werden.Tension. This creates a rotating magnetic field over the other rotor part, which induces an alternating voltage in the associated stator. A correspondingly higher output can be obtained by increasing the frequency.
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 induzierten Frequenz in Richtung Sinusform verändern.The manufacturing costs of the electrodynamic machine can be considerably reduced by the proposed design of squirrel-cage rotors, whereby the rotor parts can be prefabricated cast or injection-molded parts that are mechanically and electrically connected accordingly. The number of rod conductors in each cage runner must be ≥ 3. As the number of rods increases, the waveform of the induced frequency can be changed in the direction of a sinusoidal shape.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below on the basis of the description of exemplary embodiments with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Here show:
Fig. 1 ein Schnittbild des prinzipiellen mechanischen Auf- baus der elektrodynamischen Maschine mit koaxial ausgerichteten Läufer- und Ständerwicklungspaaren,1 is a sectional view of the basic mechanical structure of the electrodynamic machine with coaxially aligned rotor and stator winding pairs,
Fig. 2a, b, c eine prinzipielle Darstellung der mechanischen (2a) und elektrischen (2b) Verschaltung der Läufer sowie die resultierenden Frequenzverhältnisse (Fig. 2c) ,2a, b, c a basic representation of the mechanical (2a) and electrical (2b) interconnection of the rotor and the resulting frequency relationships (Fig. 2c),
Fig. 3a, b die elektrische Verschaltung der Ständer beim3a, b the electrical connection of the stand at
Betrieb als elektrodynamische Lichtmaschine sowie eine Darstellung der resultierenden Frequenzkomponenten, sowie Fig. 4a, b und c eine Seitenansicht der Läuferteile derOperation as an electrodynamic alternator and a representation of the resulting frequency components, as well 4a, b and c a side view of the rotor parts of the
Maschine sowie eine Ansicht des Verbindungsbereiches der Käfigläufer und eine abgewickelte Darstellung der Läuferstäbe des Käfigläufers mit den entsprechenden elektrischen Verbindungen (Fig. 4c) .Machine and a view of the connection area of the squirrel-cage rotor and a developed representation of the rotor bars of the squirrel-cage rotor with the corresponding electrical connections (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 Ständerwicklungen 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.The electrical machine shown with the aid of FIG. 1, which can be operated as a synchronous generator and / or motor, comprises a rotor or machine axis 1, which is rotatably mounted in a housing 2. Stator windings 1 * and 2 * are arranged on the housing. The stator windings 1 * and 2 * are spaced apart along the axis 1, the stator windings 1 * and 2 * with associated rotor windings 3 * and 4 * each forming a rotor-stator winding pair.
Die Ständerwicklungen erzeugen bei entsprechender Beaufschlagung 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 Anordnungen 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.When appropriately loaded, the stator windings generate e.g. in its formation as three-phase windings with three-phase current, a radially aligned magnetic field. The structure of the windings corresponds to that of known electrical machines. All types of windings, combinations and arrangements are possible in which two magnetic fields or rotating fields arranged axially to one another can be generated. The number of poles and pole pairs is basically arbitrary. The windings can be connected in star or delta.
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.In addition, when the machine functions as an alternator, the stator winding 1 * can be designed as a simple winding instead of a rotating field winding, since in this case the stator winding 1 * in question is supplied with direct voltage.
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 .The rotor windings 3 * and 4 * are electrically connected to one another in such a way that the rotating field winding of the rotor 3 * in the other rotating field winding, i.e. that of the rotor 4 * causes a rotating magnetic field in the opposite direction.
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 Bezugszeichen 3 versehenen Läuferstäbe sind, wie mit den unterbrochenen Linien dargestellt, so verbunden, daß sich die gewünschte Drehfeldumkehr ergibt . Die Lauferstäbe 3 sind an ihren axialen Enden elektrisch kurzgeschlossen.As shown in principle in FIG. 2a, instead of the rotor windings, rotor bars that have a squirrel-cage rotor can also be used form, be used. The rotor bars provided with the reference symbol 3 in FIG. 2a are connected, as shown by the broken lines, in such a way that the desired reversal of the rotating field results. The rotor bars 3 are electrically short-circuited at their axial ends.
Hinsichtlich der elektrischen Verschaltung der Läuferwicklungen sei auf die Fig. 2b verwiesen, welche auch die anliegenden 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 Drehstrom mit der Frequenz fl und dreht sich der Läufer mit der Frequenz f2 , so wird in der korrespondierenden Läuferwicklung ein Drehfeld mit der Frequenz f3 = fl - f2 induziert.With regard to the electrical connection of the rotor windings, reference is made to FIG. 2b, which also shows the frequency components present or resulting. In this regard, reference is made in particular to FIG. 2c. In this case, f2 denotes the speed of the rotor or machine axis 1. Accordingly, if a three-phase current with the frequency fl flows in a stator winding and the rotor rotates with the frequency f2, a rotating field with the frequency f3 = fl-f2 is induced in the corresponding rotor winding.
Dieses Drehfeld erzeugt in der jeweils anderen Läuferwicklung ein entgegengesetztes Drehfeld mit der Frequenz f4 = -f3. Das Drehfeld in dieser Läuferwicklung induziert im korrespondierenden Ständer, d.h. in der jeweiligen Ständerwicklung ein Feld mit der Frequenz f5 = f2 + f4. Daraus folgt f5 = f2 - (fl - f2) = 2 x f2 - fl, 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.This rotating field generates an opposite rotating field with the frequency f4 = -f3 in the other rotor winding. The rotating field in this rotor winding induces in the corresponding stator, i.e. a field with the frequency f5 = f2 + f4 in the respective stator winding. From this follows f5 = f2 - (fl - f2) = 2 x f2 - fl, i.e. the voltage induced in the corresponding part of the stator winding has twice the frequency of the rotor speed minus the frequency of the voltage applied to the first rotating field for a pair of poles.
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 Läuferdrehzahl des ersten Feldes der ersten Ständerwicklung. Die Spannung im zweiten Drehfeld steigt entsprechend an und es wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.If the rotor rotates against the direction of rotation of the field from the first stator winding, the frequency of the field of the second stator winding increases by twice the rotor speed of the first field of the first stator winding. The voltage in the second rotating field increases accordingly and mechanical energy is converted into electrical energy.
Werden zwei unterschiedliche Frequenzen an den Ständerwicklungen 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 elektrische Beschaltung der Maschine so auszurichten, daß im Stillstand die im Läufer induzierten Spannungen sich weitgehend aufheben, so daß ohne ein am Läufer wirkendes Drehmoment im Läufer keine nennenswerten Ströme fließen.If two different frequencies are applied to the stator windings 1 * and 2 *, then the rotor axis 1 rotates with the corresponding rotor windings 3 * and 4 * synchronously with the above-mentioned relationship changed to f2. To start, the rotor or machine axis 1 must be accelerated to a corresponding initial speed, as is usual with synchronous motors. In a particular embodiment, by the short circuit of one of the stator windings the machine is in an asynchronous mode and therefore forced to start. Alternatively, there is the possibility of starting up the synchronous motor by changing the differential frequency from zero to a predetermined value. The electrical circuitry of the machine should preferably be designed so that the voltages induced in the rotor largely cancel each other at a standstill, so that no appreciable currents flow in the rotor without a torque acting on the rotor.
Das Betreiben des Motors oder Generators mit einer Gleichspannung an einer der Ständerwicklungen ist hinsichtlich der Beschaltung mit der Fig. 3a und den sich ergebenden Frequenzkomponenten mit der Fig. 3b dargestellt.The operation of the motor or generator with a DC voltage on one of the stator windings is shown with regard to the connection with FIG. 3a and the resulting frequency components with FIG. 3b.
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.The moment the frequency of the rotating field of the first stator winding is zero, i.e. a DC voltage is applied, a rotating field or an AC voltage with twice the frequency of the rotor speed is induced in the second stator winding. The level of tension is also dependent on the rotor speed.
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 fl = 50 Hz und einer Frequenz f5 = 30 Hz beträgt die Drehzahl des Läufers bei einem Polpaar auf beiden Ständerseiten (fl + f5)/2 = 40 Hz. Bei einer Frequenz fl = 50 Hz und einer Frequenz f5 = -50 Hz beträgt die Drehzahl des Läufers (fl + f5)/2 0 Hz . Eine Drehzahl des Läufers von 25 Hz ist dann gegeben, wenn die Frequenz fl = 50 Hz und die Frequenz f5 = 0 Hz beträgt.When the electrodynamic machine functions as a motor, voltages with different frequencies are accordingly applied to the stator windings, so that the rotor rotates synchronously with half the sum of the two stator frequencies. With a frequency fl = 50 Hz and a frequency f5 = 30 Hz, the speed of the rotor with one pole pair on both stator sides (fl + f5) / 2 = 40 Hz. With a frequency fl = 50 Hz and a frequency f5 = -50 Hz is the rotor speed (fl + f5) / 2 0 Hz. A rotor speed of 25 Hz is given if the frequency fl = 50 Hz and the frequency f5 = 0 Hz.
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 fl = -10 Hz und einer Drehzahl von 50 Hz, d.h. f2 = 50 Hz, beträgt die Frequenz der induzierten Spannung 2 x f2 - fl = 110 Hz. Bei einer Frequenz des Ständerfeldes von fl = 0 Hz und einer Drehzahl von f2 = 25 Hz ist die Frequenz der induzierten Spannung 50 Hz.In the generator function of the electrodynamic machine, a voltage is induced in the second stator winding when the rotor is rotating and a stator rotating field is present, the frequency of which is dependent on the rotor speed. At a stator frequency of fl = -10 Hz and a speed of 50 Hz, ie f2 = 50 Hz, the frequency of the induced voltage is 2 x f2 - fl = 110 Hz. At a frequency of the stator field of fl = 0 Hz and a speed of f2 = 25 Hz the frequency of the induced voltage is 50 Hz.
Der mechanische Aufbau sowie die elektrische Verschaltung der Läuferwicklungen sei anhand der Fig. 4a bis c näher beschrieben.The mechanical structure and the electrical connection of the rotor windings will be described in more detail with reference to FIGS. 4a to c.
Die Fig. 4a zeigt zwei im Abstand zur Läuferachse 1 ausgebildete, Stableiter 4 umfassende Käfigläufer 5.4a shows two squirrel-cage rotors 5 which are formed at a distance from the rotor axis 1 and comprise a stable conductor 4.
Die Stableiter 4 der Käfigläufer 5 sind an ihren freien axialen Enden elektrisch miteinander verbunden, d.h. kurzgeschlossen. In einem Verbindungsabschnitt erstrecken sich entsprechende Teile der Stableiter 4 der jeweiligen Käfigläufer 5 im wesentlichen parallel zur Läuferachse 1 ineinander, wobei die einzelnen Stableiter 4 des jeweiligen Käfig- läufers 5 derart gegeneinander in Rotationsrichtung winkel- verschoben, d.h. verdreht sind, daß eine elektrische Verbindung durch einfache Brücken 7 (Fig. 4b) gegeben ist. Durch diese konstruktive Anordnung lassen sich sowohl Isolationsprobleme lösen als auch besonders einfache Verbindungen ausgestalten.The rod conductors 4 of the squirrel-cage rotors 5 are electrically connected to one another at their free axial ends, i.e. short-circuited. In a connecting section, corresponding parts of the bar ladder 4 of the respective cage runner 5 extend into one another essentially parallel to the rotor axis 1, the individual bar ladder 4 of the respective cage runner 5 thus being angularly displaced relative to one another in the direction of rotation, i.e. are twisted that an electrical connection is given by simple bridges 7 (Fig. 4b). This constructive arrangement enables both insulation problems to be solved and particularly simple connections to be designed.
Zur Fig. 4b sei angemerkt, daß der unterschiedliche Durchmesser der jeweiligen Käfigläufer 5 nur aus Gründen der zeichnerischen Übersichtlichkeit gewählt wurde.Regarding FIG. 4b, it should be noted that the different diameters of the respective squirrel-cage rotors 5 were chosen only for reasons of clarity in the drawing.
Die Realisierung der elektrischen Verbindung kann dadurch erfolgen, daß die Stableiter 4 beider Käfigläufer 5 wie erwähnt in einem vorgegebenen Abstand zur Lauferlängsachse 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.The electrical connection can be realized in that the rod conductors 4 of both squirrel-cage rotors 5 run parallel to one another at a predetermined distance from the longitudinal axis 1 of the rotor via the connecting section 6, and bridges in the form of arcs (not shown) are arranged isolated from the bars across them are, which in turn can be electrically connected to the conductor bars 4 at the corresponding points by conductive webs. The electrical connection of the rod conductor 4 of the cage rotor 5 can be traced on the basis of the development according to FIG. 4c.
Die Stableiter bzw. die Käfigläufer können im Verbindungsab- schnitt 6 durch vorgefertigte mechanisch und elektrisch wirkende Kontaktteile, die als Guß- oder Spritzteile herstellbar sind, kostengünstig montiert werden.The rod conductor or the squirrel-cage rotor can be inexpensively installed in the connecting section 6 by means of prefabricated mechanically and electrically acting contact parts which can be produced as cast or injection-molded parts.
Die mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene elektrodynamische Maschine erreicht in ihrer Betriebsweise als Motor hohe Drehmomente auch im Bereich niedriger Drehzahlen. Die Regelleistungen sind sowohl bei Motor- als auch Generatorfunktion 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 Kraftfahrzeuge und als Frequenzwandler. Es sei an dieser Stelle nochmals 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 entgegengesetzt rotierendes Drehfeld in der Wicklung des gegenüber- liegenden Käfigläufers erzeugt. The electrodynamic machine described with the exemplary embodiment, in its operating mode as a motor, achieves high torques even in the range of low speeds. The control power is lower than the drive or generator power for both motor and generator functions. The machine can be used, for example, as a servo motor, synchronous drive and on the generator side in a brushless alternator for motor vehicles and as a frequency converter. At this point it should be noted once again that the stator windings can be designed to be both multi-phase and single-phase, the rotor windings being designed as squirrel-cage rotors, which are preferably electrically connected between the corresponding sections of the mutually facing squirrel-cage rotors in such a way that a rotating field in the winding of the one squirrel-cage rotor produces an oppositely rotating rotating field in the winding of the opposite squirrel-cage rotor.
BezugszeichenlisteReference list
1 Lauferach.se/Maschinenachse1 Lauferach.se/Machine axis
2 Gehäuse2 housings
1*, 2* Ständerwicklung1 *, 2 * stator winding
3*, 4* Läuferwicklung3 *, 4 * rotor winding
3 Läuferstäbe3 runner bars
4 Stableiter4 rod ladders
5 Käfigläufer5 squirrel cages
6 Verbindungsabschnitt6 connecting section
7 Brücken 7 bridges

Claims

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