DE2345082A1

DE2345082A1 - Eisenlose elektrische heteropolarmaschine

Info

Publication number: DE2345082A1
Application number: DE19732345082
Authority: DE
Inventors: Herwig Guentner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-06
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1975-03-20
Also published as: JPS5053803A

Description

Eisenlose elektrische Heteropolarmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine eisenlose elektrische Heteropolarmaschine mit normalleitendem Anker mit stromfreier Welle und supraleitenden Erregerspulen in einem Kryostaten, "bei der das Polsystem reaktionsmomentfrei ist. Eine heteropolare Gleichstrommaschine dieser Art ist aus der DT-PS 2 027 673 "bekannt. Sie weist gegenüber den üblichen heteropolaren Gleichstrommaschinen mit voll auf die Erregerspulen einwirkenden Reaktionsmomenten den Vorteil auf, daß von den tiefgekühlten Teilen in den Normaltemperaturbereich reichende wärmeleitende und daher den Gesamtwirkungsgrad herabsetzende Stützelemente nicht erforderlich sind. Bei der bekannten heteropolaren eisenlosen Gleichstrommaschine mit reaktionsmomentfreiem Polsystem ist die räumliche Verteilung der Erregerspulen und ihre Durchflutung in besonderer Weise aufeinander und auf Kompensationsspulen abzustimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne Kompensationsspulen und ohne exakt aufeinander abzustimmende und zu bemessende elektrische Felder auskommt und nicht nur für Gleichstrombetrieb, sondern auch für Synchron- oder Asynchronbetrieb durch entsprechende Wahl der Wicklungen und ihres Zubehörs verwendet werden kann.

Die Lösung, der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß der hohlringförmige Kryostat zwischen einem zylinderförmigen Außenmantel aus unmagnetischem, elektrisch

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leitfähigem Werkstoff und einem den Anker umgebenden drehbaren zylinderförmigen Innenmantel aus unmagnetischem, elektrisch leitfähigem Werkstoff angeordnet und der Außenmantel relativ zu den innerhalb des Kryostaten angeordneten Erregerspulen drehbeweglich ist.

Mit der Erfindung läßt sich eine Asynchronmaschine mit Drehstromläuferwicklung dadurch erreichen, daß der Außenmantel ruhend und die Erregerspulen innerhalb des ruhenden Kryostaten aus elektrisch isolierendem Werkstoff drehbeweglich angeordnet sind.

Wenn eine Spannungs- oder Blindleistungsregelung in engen Grenzen gewünscht wird, kann dies leicht dadurch erreicht werden, daß gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Innenmantel eine normalleitende Zusatzerregerwicklung trägt e

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für eine Asynchronmaschine anhand der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine solche Asynchronmaschine

und
Pig. 2 einen Querschnitt nach II-II des Gegenstandes nach Fig. 1.

Die zweipolige Asynchronmaschine weist einen elektrisch leitenden und unmagnetischen zylinderförmigen Außenmantel 1 aus Kupfer oder Aluminium auf, der einen hohlringförmigen Kryostaten 2 aus elektrisch isolierendem Werkstoff umgibt und wie dieser gehäusefest, d.h. ruhend, angeordnet ist. In dem Kryostaten sind frei drehbeweglich die supraleitenden Erregerspulen 3, 4 in Form von steifen Sattelspulen untergebracht. Die Lagerung der sehr starken inneren Kräften ausgesetzten Erregerspulen kann in Magnetlagern erfolgen. Die Kühlung der

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supraleitenden Erregerspulen erfolgt durch flüssiges Helium, das den Innenraum des Kryostaten durchströmt oder darin verdampft. Die Erregerspulen werden über magnetisch betätigte Kontakte oder über eine kontaktlose Flußpumpe mit Strom gespeist und nach Erreichen des gewünschten Erregerstromes von der Versorgungsquelle abgetrennt und kurzgeschlossen, so daß ein weiterer nachteiliger Wärmezufluß über die Stromzuführungen entfällt. Zwischen dem Kryostaten 2 und der Läuferwicklung 6 (Ankerwicklung) ist ein zylinderförmiger elektrisch leitender unmagnetischer Innenmantel 5 aus Kupfer oder Aluminium frei drehbeweglich angeordnet. Er schirmt die Erregerspulen 3, 4 gegen höherfrequente Wechselfelder ab und verhindert dadurch unerwünschte Verluste in den Erregerspulen. Dieser Innenmantel läuft bei belasteter Asynchronmaschine langsam um. Zur Regelung der Spannung oder der Blindleistung in geringem Umfang kann in dem Innenmantel 5 eine normalleitende Zusatzerregerwicklung 5a, 5b untergebracht sein. Die Läuferwicklung 6 aus Roebelstäben mit dünnen Einzelleitern wird von zwei Wellenstummeln 7, 8 getragen, die voneinander getrennt sind. Statt dessen kann auch eine durchgehende Welle aus elektrisch nichtleitendem Material vorgesehen sein. Die Lagerung der Wellenstummel erfolgt in Lagern 10, 11 der mit den Gehäuse verbundenen Lagerschilde 12, 13, das mit Füßen H versehen ist.

Der Außenmantel 1, die Läuferwicklung 6 und die für die Zu- oder Abfuhr der elektrischen Energie dienenden Schleifringe 9» die für hohe Spannungen und Ströme bemessen sind, werden vorteilhaft durch direkte Flüssigkeitskühlung, insbesondere Sprühkühlung, gekühlt. Bei einem Betrieb mit starker Schieflast empfiehlt es sich, in entsprechender Weise auch den Innenmantel 5 und die gegebenenfalls vorgesehene Zusatzerregerwicklung zu kühlen.

Nachdem die Erregerspulen 3, 4 erregt und kurzgeschlossen sind, kann die Asynchronmaschine mit beliebig einstellbarem

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Leistungsfaktor als Generator oder Motor arbeiten, nachdem sie durch Fremdantrieb auf eine Drehzahl gebracht ist, die eine Synchronisierung mit einem starren Netz gestattet. An Stelle des Hochlaufes durch Fremdantrieb kann auch ein Frequenzhochlauf vorgenommen werden. Dagegen ist bei Anschluß an ein starres Netz ein direktes Einschalten oder Reversieren, d.h. ein Betrieb mit sehr großem Schlupf, unzulässig, da sich wegen der großen Drehzahl der Erregerspulen zu hohe Reibungsverluste ergeben. Der Betrieb als freier Generator zur Speisung eines Inselnetzes ist möglich. Die bei unsymmetrischer elektrischer Belastung der Asynchronmaschine auftretenden gegenläufigen Drehfelder werden durch den Innenmantel 5 gegen die Erregerspulen 3, 4 abgeschirmt und können somit in diesen keine Verluste hervorrufen.

Eine Asynchronmaschine nach der Erfindung zeigt im Stoßkurzschlußfall ein weiches Verhalten, so daß keine zerstörerischen mechanischen Kräfte auftreten. Mit zunehmender Belastung nimmt das magnetische Außenfeld ab und seine unterhalb der Netzfrequenz bleibende Frequenz zu. Wegen des ruhenden Außenmantels können außerhalb der Maschine liegende elektrisch leitende Teile keine den Wirkungsgrad verringernde Verluste herbeiführen.

Die Erfindung erlaubt darüber hinaus die Schaffung von heteropolaren Synchron- oder Gleichstrommaschinen.

Eine Synchronmaschine mit einfach synchroner Wellendrehzahl läßt sich dadurch erhalten, daß die reaktionsmomentfreien Erregerspulen 3, 4 innerhalb des ruhend angeordneten Kryostaten 2 unbeweglich gehalten sind und der Außenmantel 1 mit der jeweiligen Schlupfdrehzahl angetrieben ist. In diesem Fall wird der Außenmantel in seiner Schlupfdrehzahl geregelt. Für den Kryostaten kann sowohl elektrisch isolierender oder elektrisch leitender Werkstoff verwendet werden.

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Eine Synchronmaschine mit doppeItsynchroner Wellendrehzahl kann dadurch erhalten werden, daß der Außenmantel aus einer normalleitenden Drehstromwicklung gebildet ist und daß die Erregerspulen 3, 4 innerhalb des drehbeweglichen Kryostaten fest angeordnet sind. Auch hier kann der Werkstoff für den Kryostaten elektrisch leitend oder isolierend sein. Die Drehfelder von äußerer und innerer Drehstromwioklung müssen entgegengesetzte Drehrichtung haben. Bei gleicher Drehrichtung der Drehfelder der ruhend angeordneten äußeren und inneren Drehstromwicklungen und supraleitender kräftefreier rotierender Erregerwicklung ergibt sich ein Drehfeldtransformator.

Wenn an Stelle der Drehstromwicklungen G-leichstromwicklungen vorgesehen und diese mit mechanischen oder elektronischen Kommutatoren verbunden sind, erhält man heteropolare Gleichstrommaschinen mit reaktionsmomentfreien Erregerspulen.

Maschinen nach der Erfindung lassen sich besonders vorteilhaft für Schneliverkehrssysteme sowie als Teile von Bordnetzen in Schiffen, Plugzeugen oder Raumfahrteinrichtungen anwenden.

9 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Eisenlose elektrische Heteropolarmaschine mit normalleitendem Anker mit stromfreier Welle und supraleitenden
Erregerspulen in einem Kryostaten, bei der das Polsystem reaktionsmomentfrei ist, dadurch gekennzeichnet, daß der hohlringförmige Kryostat (2) zwischen einem zylinderförmigen Außenmantel (1) axis unmagnetischem, elektrisch leitfähigem Werkstoff und einem den Anker (6, 7, 8) umgebenden drehbaren zylinderförmigen Innenmantel (5) aus unmagnetischem, elektrisch leitfähigem Werkstoff angeordnet und der Außenmantel (1) relativ zu den innerhalb des Kryostaten angeordneten Erregerspulen (3» 4) drehbeweglich ist.

2. Maschine nach Anspruch 1 als Asynchronmaschine mit Drehstromläuferwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (1) ruhend und die Erregerspulen (3, 4) innerhalb des ruhenden Kryostaten (2) aus elektrisch isolierendem Werkstoff drehbeweglich angeordnet sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (5) eine normalleitende Zusatzerregerwicklung (5a, 5b) trägt.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromläuferwicklung aus Einzelleitern von
kleinem Querschnitt gebildet ist.

5. Maschine nach Anspruch 1 als Synchronmaschine, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erregerspulen (3, 4) innerhalb des ruhend angeordneten Kryostaten (2) unbeweglich gehalten
sind und der Außenmantel (1) mit der jeweiligen Schlupfdrehzahl angetrieben ist.

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6. Maschine nach Anspruch 1 als Synchronmaschine mit doppelt synchroner Wellendrehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (1) aus einer normalleitenden Drehstromwicklung besteht und daß die Erregerspulen (3, 4-) innerhalb des drehbeweglichen Kryostaten (2) fest angeordnet sind und die Drehfelder der äußeren und inneren Drehstromwicklungen entgegengesetzte Drehrichtung haben.

7· Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abwandlung als Gleichstrommaschine die Läuferwicklung (6) als Gleichstromwicklung ausgeführt und mit einem Kommutator verbunden ist.

8. Maschine nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Außenmantel (1) als Gleichstromwicklung ausgeführt und mit einem gesonderten Kommutator verbunden ist.

9. Maschine nach Anspruch 1 und 6 als Drehfeldtransformator, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfelder von äußerer und innerer Drehstromwicklung gleiche Drehzahl und Drehrichtung haben.

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