DE1083917B

DE1083917B - Arrangement of semiconductor rectifiers on the rotating shaft of electrical machines

Info

Publication number: DE1083917B
Application number: DES55924A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Ulrich Haier; Dipl-Ing Paul Juen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1957-11-16
Filing date: 1957-11-16
Publication date: 1960-06-23

Description

Anordnung von Halbleitergleichrichtern auf der rotierenden Welle elektrischer Maschinen Das Patent 1068 817 bezieht sich auf die Anordnung von Halbleitergleichrichtern auf einer rotierenden Welle, insbesondere zur Erregung von Wechselstromgeneratoren, bei der die wirksamen Gleichrichterschichten der Gleichrichterelemente an einem ringförmigen, mit der Welle verbundenen Trägerkörper gehalten sind. Dabei sind die wirksamen Gleichrichterschichten, tangential liegend, mittels an dem ringförmigen Trägerkörper abgestützter Gleichrichterpatronen so angeordnet, daß die wirksamen Fliekhräfte senkrecht zur Schichtebene wirken und auf der gesamten Schichtfläche auf die Gleichrichterpatronen übertragen werden. Diese Anordnung hat den großen Vorteil, die Fliehkraftbeanspruchungen in den wirksamen Gleichrichterschichten besonders gering zu halten und eine hohe Betriebssicherheit der Gleichrichter auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten sicherzustellen.Arrangement of semiconductor rectifiers on the rotating shaft of electrical machines The patent 1068 817 relates to the arrangement of semiconductor rectifiers on a rotating shaft, in particular for the excitation of alternators, in which the effective rectifier layers of the rectifier elements are held on an annular support body connected to the shaft. The effective rectifier layers, lying tangentially, are arranged by means of rectifier cartridges supported on the ring-shaped carrier body so that the effective centrifugal forces act perpendicular to the plane of the layer and are transmitted to the rectifier cartridges over the entire layer surface. This arrangement has the great advantage of keeping the centrifugal forces in the effective rectifier layers particularly low and of ensuring a high operational reliability of the rectifiers even at very high speeds.

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung der im Hauptpatent unter Schutz gestellten Anordnung und besteht darin, die vorerwähnte, den Gegenstand des deutschen Patents 1068 817 bildende Gleichrichteranordnung unmittelbar an dem den Primärstrom der- Gleichrichter liefernden Generator anzuwenden, indem der Gleichrichterträgerring gleichzeitig als Stützring für die Läuferwickelköpfe des Gleichrichtergenerators verwendet wird. Diese Anordnung bietet den besonderen Vorteil, daß die Gleichrichterelemente den sie speisenden Wicklungszweigen des Gleichrichters in einer solchen Weise zugeordnet werden können, daß sich bezüglich der Leitungsführung die günstigsten Verhältnisse ergeben. Der Erfindungsgedanke hat auch den Vorzug, daß so gut wie kein zusätzlicher Raum für die Gleichrichteranordnung erforderlich ist, da der unter den Wickelköpfen der Maschine ohnehin vorhandene Raum für die Gleichrichteranordnung ausgenutzt wird. Die erfindungsgemäße Anordnung macht es möglich, eine größere Anzahl von Gleichrichterelementen innerhalb der Maschine unterzubringen, wobei die Wickelkopfräume auf beiden Seiten der Maschine für die Gleichrichteranordnung herangezogen werden. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Erfindungsgedanke auch bei Anwendung von Doppelsternschaltungen mit Saugdrosselspule angewendet werden, wobei die Saugdrosselspule ebenfalls unmittelbar neben den Gleichrichtern in dem Wickelkopfraum vorgesehen wird.The invention relates to a further embodiment of the arrangement under protection in the main patent and consists in applying the aforementioned rectifier arrangement forming the subject of German patent 1068 817 directly to the generator supplying the primary current of the rectifier, in that the rectifier carrier ring simultaneously serves as a support ring for the rotor winding heads of the rectifier generator is used. This arrangement offers the particular advantage that the rectifier elements can be assigned to the winding branches of the rectifier that feed them in such a way that the most favorable conditions arise with regard to the routing of the lines. The idea of the invention also has the advantage that virtually no additional space is required for the rectifier arrangement, since the space which is already present under the end windings of the machine is used for the rectifier arrangement. The arrangement according to the invention makes it possible to accommodate a larger number of rectifier elements within the machine, the end winding spaces on both sides of the machine being used for the rectifier arrangement. According to the further embodiment of the invention, the concept of the invention can also be used when using double star circuits with suction choke coil, the suction choke coil also being provided directly next to the rectifiers in the winding head space.

Die Erfindung sowie zahlreiche Einzelheiten, die sich bei Anwendung des Erfindungsgedankens für verschiedene Gleichrichterschaltungen ergeben, sollen näher an Hand der Zeichnung erläutert werden: Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine als Erregermaschine, beispielsweise für einen Turbogenerator ausgebildete Wechselstromerregermaschine. 1 bedeutet die Welle, die das Eisenblechpaket 2 trägt. Der mit Einzelpolen oder einer verteilten Erregerwicklung versehene Ständer ist zur Vereinfachung in der Zeichnung nicht wiedergegeben. 3 ist die induzierte Ankerwicklung. Die Wickelköpfe 3 a sind unter Zwischenschaltung einer Isolierung 4 auf dem Stützring 5 abgestützt, der durch eine Isolierschicht 6 gegenüber dem Eisenblechpaket und der Welle 1 isoliert ist. Der Ring 5 ist gleichzeitig erfindungsgemäß als Trägerring für die Gleichrichterpatronen 7 ausgebildet. 8 bedeutet die Stromzuleitung, mit der die eine Klemme der Gleichrichterpatrone an die zugeordnete Phase der Wechselstromwicklung 3 angeschlossen ist. Die zweite Klemme der Gleichrichterpatrone 7 ist direkt mit dem stromleitenden Trägerring 5 verbunden. 9 ist eine an den Trägerring 5 angeschlossene, ein positives Potential führende Stromleitung und 10 die direkt mit der beispielsweise in Sternschaltung angeordneten Maschinenwicklung verbundene negative Ableitung. Zweckmäßiger-weise kann die Leitung 10 ebenso wie die Leitung 9 isoliert in einer Wellennut oder einer Isolierbuchse geführt werden. Man erkennt, daß bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Zuleitung 8 zwischen Wicklung und Gleichrichterpatrone außerhalb des aus Stahl od. dgl. bestehenden Trägerringes 5 verlegt- ist, wodurch Verluste durch Ummagnetisierung in dem Trägerring vermieden werden. Selbstverständlich ist über den Umfang des Trägerringes verteilt eine Anzahl von Gleichrichterelementen vorhanden. Die Zahl der Gleichrichterelemente ergibt sich hierbei aus der Wicklungsschaltung der Maschine bzw. Gleichrichterschaltung. -.The invention as well as numerous details that arise in application of the inventive idea for various rectifier circuits should be will be explained in more detail with reference to the drawing: FIG. 1 shows a partial section through an alternating current exciter designed as an exciter, for example for a turbo generator. 1 means the shaft that carries the sheet iron package 2. The one with single poles or A stator provided with a distributed field winding is for simplification in the Drawing not reproduced. 3 is the induced armature winding. The winding heads 3 a are supported on the support ring 5 with the interposition of insulation 4, which is insulated from the sheet iron package and the shaft 1 by an insulating layer 6 is. The ring 5 is at the same time according to the invention as a carrier ring for the rectifier cartridges 7 trained. 8 means the power supply line with which one terminal of the rectifier cartridge is connected to the assigned phase of the alternating current winding 3. The second The terminal of the rectifier cartridge 7 is directly connected to the conductive carrier ring 5 tied together. 9 is a positive potential connected to the carrier ring 5 leading power line and 10 which are directly connected to the star connection, for example arranged machine winding connected negative discharge. Appropriately The line 10 as well as the line 9 can be isolated in a corrugated groove or a Isolation bushing are performed. It can be seen that in the embodiment of Fig. 1 the supply line 8 between the winding and the rectifier cartridge outside of the steel od. The like. Existing carrier ring 5 relocated - causing losses can be avoided by magnetization reversal in the carrier ring. It goes without saying A number of rectifier elements are distributed over the circumference of the carrier ring available. The number of rectifier elements results from the winding circuit of the machine or rectifier circuit. -.

Fig. 2 der Zeichnung gibt eine etwas abgeänderte Ausführungsform wieder, bei der der Trägerring 5 in einen unmagnetischen zylindrischen Ringteil 5 a und in den auf der Welle sitzenden, zur Abstützung dienenden Ringteil 5 b aus magnetischem Material zerlegt ist. Bei dieser Anordnung ist die Stromzuleitung 8 von der Wicklung 3 zu der Gleichrichterpatrone 7 direkt durch eine Bohrung 11 in dem Ringteil 5a geführt.Fig. 2 of the drawing shows a somewhat modified embodiment, in which the carrier ring 5 in a non-magnetic cylindrical ring part 5 a and in the seated on the shaft, serving for support ring part 5 b made of magnetic Material is disassembled. In this arrangement, the power supply line 8 is from the winding 3 to the rectifier cartridge 7 directly through a bore 11 in the ring part 5a guided.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet ohne weiteres die Möglichkeit, beim Vorhandensein größerer Ströme die einzelnen Phasenwicklungen in mehrere parallele Wicklungszweige aufzulösen. Eine entsprechende Schaltung gibt Fig. 3 der Zeichnung wieder. In dieser Figur bedeuten 3 a1, 3 bi, 3 a2, 3 b2, 3 a3, 3 b3 die in parallele Zweige aufgelösten Phasenwicklungen. Jedem Wicklungszweig ist ein besonderer Gleichrichter 7a1, 7 b1 bzw. 7a2, 7b2 bzw. 7a3, 7b3 zugeordnet. Die positive Stromableitung wird bei dieser Schaltung wieder, wie aus den vorangehenden Figuren ersichtlich ist, durch den Trägerringkörper 5 (Fig. 1) gebildet, während mit dem Wicklungssternpunkt die negative Wicklungsableitung 8 verbunden ist.The arrangement according to the invention readily offers the possibility of breaking up the individual phase windings into several parallel winding branches when larger currents are present. A corresponding circuit is shown in FIG. 3 of the drawing. In this figure, 3 a1, 3 bi, 3 a2, 3 b2, 3 a3, 3 b3 denote the phase windings resolved into parallel branches. Each winding branch is a special rectifier 7a1, 7 b1 and 7a2, 7b2 and 7a3, 7b3 assigned. In this circuit, the positive current discharge is again, as can be seen from the preceding figures, formed by the carrier ring body 5 (FIG. 1), while the negative winding discharge 8 is connected to the winding star point.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Gleichrichteranordnung mit Saugdrosselschaltung. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 sind die Sternpunktleitungen der Maschinenwicklung über die Leitungen 12, 13 mit einer Saugdrossel 14 verbunden, die beispielsweise als Ringdrossel ausgeführt ist und ebenfalls in dem Raum zwischen Wickelköpfen und Welle innerhalb des Wickelkopf- bzw. Gleichrichterträgers unter Zwischenschaltung isolierender Teile 16 eingeschaltet ist. 17 bedeutet bei der Anordnung nach Fig. 4 die negative Stromableitung, die ebenfalls von der Welle sowie den übrigen Teilen der Maschine isoliert ist. Mit 18 ist in dieser Figur noch die positive Stromzuleitung angedeutet, die auf der Welle um 180° gegenüber der negativen Zuleitung versetzt ist und mit dem Gleichrichterträgerkörper über die Stromzuführungslasche 18a verbunden ist.4 shows a further exemplary embodiment for a rectifier arrangement with suction throttle circuit. In the arrangement according to FIG. 4, the star point lines are the machine winding is connected to a suction throttle 14 via lines 12, 13, which is designed, for example, as an annular throttle and also in the space between Winding heads and shaft within the winding head or rectifier carrier below Interposition of insulating parts 16 is switched on. 17 means in the arrangement according to Fig. 4, the negative current discharge, which is also from the shaft and the rest Parts of the machine is isolated. At 18 is still the positive power supply in this figure indicated that offset on the shaft by 180 ° with respect to the negative lead is and connected to the rectifier support body via the power supply lug 18a is.

Wie bereits angedeutet war, ist es ohne weiteres möglich, bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf beiden Seiten der Maschine Gleichrichtergruppen vorzusehen. Fig. 5 zeigt die entsprechende Anordnung, die nach dem Vorangehenden ohne weiteres verständlich sein dürfte. Fig.5 bezieht sich dabei auf eine Sechsphasensaugdrosselschaltung, wie sie beispielsweise die Fig.6 der Zeichnung wiedergibt. Die Phasenwicklungen 30a bis 30 f sind bei dieser Anordnung zweifach in Stern geschaltet. Die Wicklungsenden der Phasenwicklungen 30a, 30c und 30e sind durch auf der rechten Seite der Maschine angeordnete Gleichrichter 71 a, 71 c, 71 e an den unterteilten Trägerring 51 angeschlossen, der mit der positiven -Stromableitung 90 auf der Maschinenwelle leitend verbunden ist. Die linken Wicklungsenden der Phasenwicklungen 30a, 30c und 30e sind über die Sternleitung 81 auf der linken Seite der Maschine miteinander verbunden. Die Sternleitung 81 ist dabei entlang der Welle zu der in Stromteilerschaltung angeordneten Saugdrosselspule 14 auf der rechten Maschinenseite geführt, welche innerhalb des Trägerringes 51 unterhalb der Wickelköpfe der Maschine liegt. In analoger Weise sind die Phasenwicklungen 30b, 30d und 30f über die Gleichrichter 71 b, 71 d, 71 f an den als Stromableitung dienenden Trägerring 52 angeschlossen, der ebenfalls mit der positiven, an der Welle entlanggeführten Stromableitung 90 verbunden ist. Auf der rechten Maschinenseite ist die Sternpunktverbindung 82 der Wicklungen 30 b, 30 d und 30 f mit der anderen Außenklemme der Saugdrosselspule 14 verbunden, von welcher der Strom über die Mittelableitung 91 abgeführt werden kann.As already indicated, it is easily possible to provide rectifier groups on both sides of the machine in the arrangement according to the invention. Fig. 5 shows the corresponding arrangement, which should be readily understandable after the foregoing. FIG. 5 relates to a six-phase suction throttle circuit, as shown, for example, in FIG. 6 of the drawing. The phase windings 30a to 30f are connected twice in star in this arrangement. The winding ends of the phase windings 30 a, 30 c and 30 e are connected by rectifiers 71 a, 71 c, 71 e arranged on the right side of the machine to the subdivided carrier ring 51, which is conductively connected to the positive current lead 90 on the machine shaft. The left winding ends of the phase windings 30a, 30c and 30e are connected to one another via the star line 81 on the left side of the machine. The star line 81 is guided along the shaft to the suction throttle coil 14 arranged in the current divider circuit on the right side of the machine, which is located within the carrier ring 51 below the winding heads of the machine. In an analogous way, the phase windings 30 b, 30 d and 30 f b via the rectifier 71, 71 d, 71 f to serving as a current leakage carrier ring 52 is connected, which is likewise connected to the positive, guided along on the shaft power dissipation 90th On the right side of the machine, the star point connection 82 of the windings 30 b, 30 d and 30 f is connected to the other external terminal of the suction throttle coil 14, from which the current can be discharged via the central discharge line 91.

Mit 60 sind in Fig. 5 noch Zwischenisolierungen bezeichnet, durch die einzelnen spannungsführenden Leiter gegenseitig in der erforderlichen Weise isoliert werden. Um die Leitungen 81, 90 außerhalb des wirksamen Eisenblechpaketes führen zu können, empfiehlt es sich, wie in Fig. 5 a angedeutet ist, das Blechpaket bzw. die einzelnen Bleche mit Aussparungen 99 zu versehen, die den erforderlichen Raum für die Unterbringung der Leitungen 81, 90 frei lassen.With 60 in Fig. 5 are also referred to intermediate insulation through which the individual live conductors are mutually insulated in the required manner. In order to be able to route the lines 81, 90 outside of the effective sheet iron core, it is advisable, as indicated in FIG , 90 release.

Die Anordnung der Gleichrichter auf beiden Seiten der Maschine kann selbstverständlich auch bei anderen Schaltungen Anwendung finden, beispielsweise bei einer Mehrfachparallelschaltung für ein Dreiphasensystem, wie es in Fig. 7 der Zeichnung wiedergegeben ist. Die Schaltung nach Fig. 7 entspricht weitgehend der der Fig. 3, jedoch sind die den parallelen Zweigen der Phasenwicklungen 3 a1 3 bi - 3 a3, 3 b3 zugeordneten Gleichrichter 7 a1, 7 b1 - 7 a3, 7 b3 abwechselnd auf beiden Seiten der Maschine angeordnet.The arrangement of the rectifiers on both sides of the machine can be can of course also be used in other circuits, for example in the case of a multiple parallel connection for a three-phase system, as shown in FIG Drawing is reproduced. The circuit of FIG. 7 largely corresponds to that 3, but the parallel branches of the phase windings 3 a1 3 bi - 3 a3, 3 b3 associated rectifier 7 a1, 7 b1 - 7 a3, 7 b3 alternately arranged on both sides of the machine.

Fig. 8 gibt eine weitere Ausführungsform einer sechsphasigen Saugdrosselschaltung mit Anordnung der Sternpunkte auf einer Maschinenseite wieder, deren Verwirklichung in einer der Fig. 5 entsprechenden Anordnung ohne Schwierigkeiten möglich ist.8 shows a further embodiment of a six-phase suction throttle circuit with the arrangement of the star points on one side of the machine, their implementation is possible without difficulty in an arrangement corresponding to FIG. 5.

Der Erfindungsgedanke kann auch dann Anwendung finden, wenn mit Rücksicht auf die Spannungen eine Reihenschaltung von Gleichrichterelementen notwendig ist. Fig. 9 zeigt im Prinzip eine entsprechende Schaltung. In Fig. 10 der Zeichnung ist die Anordnung und Befestigung der Gleichrichter 71a in dem Trägerring 51 wiedergegeben. Bis auf ein Element müssen bei dieser Anordnung alle in Reihe liegenden Gleichrichterelemente isoliert in dem Trägerring 51 abgestützt sein. Die Reihenschaltung erfolgt durch Zwischenverbinder 75, die von der einen Klemme des einen Gleichrichters zu der anderen Klemme des zweiten Gleichrichters geführt sind.The idea of the invention can also be applied if with consideration A series connection of rectifier elements is necessary for the voltages. 9 shows a corresponding circuit in principle. In Fig. 10 of the drawing is the arrangement and fastening of the rectifiers 71a in the carrier ring 51 are reproduced. Except for one element, all rectifier elements in series must be used in this arrangement be supported in the carrier ring 51 in an isolated manner. The series connection takes place through Intermediate connectors 75 extending from one terminal of one rectifier to the other Terminal of the second rectifier are performed.

Die Fig. 11 und 12 geben zwei weitere Schaltungen wieder, bei denen die zu beiden Seiten der Phasenwicklungen eingeschalteten Gleichrichterelemente auf einer bzw. beiden Maschinenseiten angeordnet sind.FIGS. 11 and 12 show two further circuits in which the rectifier elements switched on on both sides of the phase windings are arranged on one or both sides of the machine.

Einzelheiten der beschriebenen Gleichrichteranordnung können selbstverständlich in Anpassung an die auftretenden Betriebsverhältnisse abgeändert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht ohne weiteres die Anwendung einer größeren Anzahl paralleler Gleichrichterzweige, wodurch es ermöglicht wird, die unter Umständen erforderlichen großen Ströme zu erzeugen. Besondere Vorteile bietet es, Silizium- oder Germaniumgleichrichterelemente anzuwenden, die sich durch besonders hohe Belastbarkeit auszeichnen. Um die Belastbarkeit der Gleichrichterelemente zu erhöhen, empfiehlt es sich ferner, den Gleichrichtergenerator derart auszubilden, daß das zur Kühlung verwendete Kühlmittel die Gleichrichter sowie die zugleich als Träger für die Wickelköpfe dienenden Trägerringe umspült. Unter Umständen kann es auch Vorteile bieten, die Gleichrichterträgerringe selbst mit Lüfterflügeln od. dgl. zu versehen oder besondere Hilfslüfter vorzusehen, um ein Kühlmittel in dem die Gleichrichter aufnehmenden, innerhalb des Gleichrichterträgers liegenden Hohlraum umzuwälzen.Details of the rectifier arrangement described can of course can be modified to adapt to the operating conditions that arise. The inventive Arrangement easily allows the use of a larger number of parallel Rectifier branches, which makes it possible to use the to generate large currents. Silicon or germanium rectifier elements offer particular advantages to use, which are characterized by particularly high resilience. About the resilience To increase the rectifier elements, it is also advisable to use the rectifier generator in such a way that the coolant used for cooling the rectifier as well as the carrier rings, which also serve as carriers for the winding heads. Under certain circumstances, the rectifier carrier rings themselves can also offer advantages To be provided with fan blades or the like or to provide special auxiliary fans in order to a coolant in which the rectifier receiving, within of the rectifier support lying cavity to circulate.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement of semiconductor rectifiers on a rotating shaft, in particular for the excitation of alternators, in which the effective rectifier layers of the rectifiers are held on an annular support body connected to the shaft and, according to patent 1068 817, the effective rectifier layers, lying tangentially, by means of the annular carrier body supported rectifier cartridges are intercepted so that the effective centrifugal forces act perpendicular to the layer plane and are transmitted over the entire layer surface to the rectifier cartridge, characterized in that the annular rectifier carrier is designed as a support ring for the rotor winding heads of the rectifier generator.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the rectifier elements are arranged on both sides of the laminated core of the rectifier generator.

3. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the phase winding connections if necessary, on both sides of the machine directly with those on the winding head carriers supported rectifier elements are connected.

4. Arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that the rectifier in the suction throttle circuit the suction throttle is preferably designed as an annular throttle and within the as a carrier body for the end windings and rectifier serving support rings is arranged.

5. Arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that the rectifier and End winding serving ring body is executed divided.

6. Arrangement according to Claim 5, characterized in that the support of the winding heads like the Rectifier enabling cylindrical part of the carrier ring made of non-magnetic There is material, while the second part is used to support the shaft of the support body consists of magnetically highly conductive material.

7. Arrangement according to Claim 1 or the following, characterized in that the one for carrying the rectifier and winding heads serving carrier ring is placed isolated on the shaft. B.

arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that when the rectifier is arranged on both sides of the laminated core in the latter, preferably in the area of the shaft seat surface Recesses for the implementation of power supply lines are arranged.

9. Arrangement according to claim 1 or following, characterized in that in an annular Carrier a plurality of rectifiers connected in series are arranged.

10. Arrangement according to Claim 1 or the following, in which at least in the winding branches two rectifier elements are arranged in series, characterized in that that the rectifier elements are provided on different sides of the machine.

11. Arrangement according to claim 1 or the following, characterized by such Ventilation of the rectifier generator that the rectifier as well as the at the same time Carrier rings serving as winding head carriers are washed around by the coolant flow. Documents considered: German Patent No. 849 727; Revue Generale de 1 '£ lectricite, 1955, p. 113.