Anordnung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselströmen auf umlaufende Maschinen oder Geräte, insbesondere zur schleifringlosen Erregung von Synchronmaschinen Es ist bekannt, zur kontaktlosen Übertragung von Wechselströmen auf umlaufende Teile zwei Synchron- oder Asynchronmaschinen in Kaskade zu schalten, wo bei die beiden Läuferwicklungen unmittelbar oder über umlaufende Gleichrichter in Reihe geschaltet sind, wäh rend die Ständerwicklung der ersten Maschine am Netz liegt und die der zweiten Maschine mit Gleichstrom oder Wechselstrom gespeist wird.
Die zweite Maschine muss hierbei ebenfalls wie die erste als umlaufende Maschine nach Art einer Synchron- oder Asynchronmaschine aus geführt sein und ist daher je nach der Grösse und Richtung der dem Ständer zugeführten Frequenz mehr oder weniger aufwendig. Hinzu kommt, dass sie in der Drehzahl an die der ersten Maschine gebunden ist, was ihre Abmessungen bei kleinen Drehzahlen und kleinen Ständerfrequenzen weiter vergrössert, weil mit abnehmender Drehzahl für eine gegebene Leistung das Drehmoment, das die Abmessungen einer elektrischen Maschine bestimmt, im umgekehrten Verhältnis zu nimmt.
Handelt es sich um die kontaktlose Erregung einer Synchronmaschine, so benötigt man eine verhält nismässig grosse Anzahl von Erregermaschinen mit um laufenden Gleichrichtern, um allen Anforderungen bei den verschiedensten Drehzahlen und Leistungen gerecht zu werden.
Die vorliegende Erfindung zeigt nun eine Möglich keit zur kontaktlosen Übertragung von Wechselströmen auf umlaufende Teile, die von den genannten Nach teilen frei ist. Die Abmessungen der dafür benötigten Anordnung sind von der Drehzahl der umlaufenden Teile völlig unabhängig, so dass eine einzige Leistungs reihe für alle Drehzahlen ausreicht.
Dies wird durch eine Anordnung zur kontaktlosen Übertragung von ein- oder mehrphasigen Wechselströmen auf umlaufende Ma schinen oder Geräte, insbesondere zur schleifringlosen Erregung von Synchronmaschinen, mittels eines Um spanners mit feststehendem Erstteil und einem mit dier umlaufenden Maschine gekuppelten Zweitteil erreicht, bei der gemäss der Erfindung Erst- und Zweitwicklun- gen des Umspanners die Welle der Maschine oder des Gerätes mittig umgeben und der mit beiden Wicklun gen verkettete Fluss so verläuft, dass er in jeder Stellung des umlaufenden Teils gegenüber dem feststehenden Teil den gleichen magnetischen Leitwert vorfindet.
Dies ergibt dien Vorteil, dass die Frequenz in beidem Wicklun gen hierbei gleich ist (meistens Netzfrequenz), so dass unabhängig von der Drehzahl stets die gleiche Leistung übertragen werden kann. Wenn der magnetische Kreis mit Netzfrequenz beansprucht wird, erhält man kleine Abmessungen.
Einige Ausführungsbeispiele lassen den Erfindungs gedanken besser erkennen. In Fig. 1 bedeutet 1 die feststehende Erstwicklung der Übertragungsanordnung und 2 die umlaufende Zweitwicklung. Beide sind mutig zur umlaufenden Welle 3 angeordnet. Die Erstwicklung umschliesst einen aus isolierten Eisenblechen spiralig gewickelten Kern 4 und wird in radialer Richtung von einem ebenso gewickelten Ring 5 umgeben. Ein Joch- stück 6 aus isolierten Blechen verbindet Kern und Ring. Die umlaufende Zweitwicklung 2 ist von einem gleich artig aufgebautem Teil des magnetischen Kreises umge ben, dem Kern 7, dem Ring 8 und dem Joch 9.
Feststehender und umlaufender Teil sind durch einen Luftspalt 10 in axialer Richtung voneinander getrennt.
Wie man aus Fig. 1 und 2 ohne weiteres erkennt, finden die mit beiden Wicklungen verketteten Feld linien bei allen Stellungen des umlaufenden Teils gegen über dem feststehenden den gleichen magnetischen Leit wert vor, weil sich der über die Joche 6 und 9 schlie ssende Fluss gleichmässig über die Querschnitte der Ringe 5 und 8 verteilt.
Fig. 3 und 4 zeigen die Anwendung des Erfindungs gedankens auf eine dreiphasige Übertragungsanordnung. Demgemäss sind drei Erstwicklungen la, 1b und 1c und drei Zweitwicklungen 2a, 2b und 2c vorhanden, ausser dem neben dem Kernen 4 und 7 noch drei Ringe 5a, 5b, 5c bzw. 8a, 8b, 8c. Ferner ist noch je ein zweites Joch 11 und 11a angebracht. Man kann die -gebrachten Anordnungen noch in der Weise vereinfachen, dass man nur in einem Teil, z. B. im feststehenden Teil, Kern und Ringe anbringt. Irn anderen Teil erhält dann das Joch kammartige An sätze, die die Zweitwicklung aufnehmen, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist.
Die Kammansätze können dabei rechteckigen Querschnitt erhalten, was die Fertigung erleichtert.
An die Zweitwicklung des umlaufenden Teils kann nun ein ebenfalls umlaufender Gleichrichter, z. B. 12 in Fig. 1, angeschlossen werden, der die Erregerwicklung 13 im Läufer einer Synchronmaschine speist.
Fig. 6 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedan- kens bei einer lastabhängig erregten Synchronmaschine 14. Die Erregerwicklung 13 im Läufer ist über den Gleichrichter 12 an eine erfindungsgemässe übertra- gungsanordnung 15 angeschlossen. Die Wicklung des. feststehenden Teils dieser Anordnung wird über den Umspanner 16, die Drosselspule 17 und den Kondensa tor 18 in bekannter Weise lastabhängig erregt. Ein regelbarer Parallelpfad, bestehend aus dem gesteuerten Stromrichter (Stromtor) 19 und dem Widerstand 20, ermöglicht eine zusätzliche Feinregelung.
Brei den bisherigen Ausführungsbeispielen waren Erst- und Zweitwicklung axial hintereinander angeord net. Man kann sie aber auch in radialer Richtung auf einander folgen lassen und erhält dann den Luftspalt ebenfalls in radialer Richtung.
Fig. 7 zeigt eine derartige Anordnung für einphasi gen Wechselstrom. Die feststehende Erstwicklung 1 befindet sich zwischen zwei gebleckten Ringen 21 und 22, ebenso die umlaufende Zweitwicklung 2 zwischen zwei Ringen 23, 24. Der magnetische Kreis wird für den Ständer durch die -Querjoche 6, für den Läufer durch die Querjoche 9 geschlossen. Die Anzahl der Querjoche im Ständer und Läufer ist an sich beliebig. Hier sind es z. B. je vier. Der Luftspalt 10 tritt jetzt in radialer Richtung auf.
Durch die gestrichelten Linien ist der Flussverlauf angedeutet.
Fig. 9 zeigt eine dreiphasige Anordnung mit den drei Erstwicklungen la, 1b, 1c, den drei Zweitwicklun gen 2e,, 2b, 2c, den gebleckten feststehenden Ringen 21, 22, 25, 26 mit den Querjochen 6 und den gebiechten umlaufenden Ringen 23, 24, 27, 28 mit den zughörigen Querjochen 9. Die Figur lässt die grosse Vereinfachung für eine wirtschaftliche Fertigung einer solchen Anord nung erkennen.
Bei der dreiphasigen Ausführung nach Fig. 3 und 9 kann man die drei Phasen unter 120 zeit lich aufeinander folgen lassen. Man kann aber auch die mittlere Phase umkehren und dadurch eine zeitliche Aufeinanderfolge von 60 erzielen, wodurch der ma gnetische Kreis günstiger beansprucht wird.
Damit die Blechringe der erfindungsgemässen Anord nungen durch die Querjoche nicht kurzgeschlossen wer den, muss an dien Übergangsquerschnitten eine dünne Isolierschicht angebracht werden.
Wenn Kerne und Blechringe bei den .Anordnungen nach Fig. 1 bis 4 aus isoliertem Blech spiralig gewickelt sind, sind Anfang und Ende eines Wickels voneinander isoliert, so dass die Wickel keine Kurzschlusswindungen zu den mittig zu ihnen liegenden Wicklungen bilden. Damit dies auch bei den Anordnungen nach Fig. 7 bis 9 der Fall ist, dürfen die Teilbleche der gebleckten Ringe 21 bis 28 keine geschlossenen Ringe bilden.
Jedes -Blech muss vielmehr aufgeschnitten sein. Zweck mässig schneidet man aus jedem Blech einen kleinen Sektor (29, 30 bzw. 31, 32) heraus (Feg. 8). Dadurch kann man .die Bleche so aufeinander :schichten, dass sie eine Spirale bilden und keine geschlossenen Windungen entstehen. Das Auftreten von störenden Kurzschluss strömen in den Blechringen wird auf diese Weise ver mieden. Es genügt aber auch, die einzelnen Bleche einfach zu schlitzen, so dass sie keinen geschlossenen Ring mehr bilden, und sie dann mit jeweils versetztem Schlitz aufeinander zu schichten.
Man kann die Anordnungen nach Fig. 7 bis -9 in ähnlicher Weise wie die nach Fig. 1 bis 4 dadurch ver einfachen, dass man nur in einem Teil, z. B. im Ständer, Blechringe vorsieht und sie im anderen Teil weglässt. Die Querjoche 9 erhalten dann wieg in Fig. 5 kammartige Form mit Zähnen und Nuten; in den so entstandenen Nuten liegen die Zweitwicklungen 2e,, 2b, 2c, ver gleiche Fig. 10 und 11. Über die Zähne und den Luft spalt tritt der Fluss in die feststehenden Ständerringe 21, 22, 25, 26 über, von wo er sich über die Ständer querjoche 6 schliessen kann.
Die zur Vermeidung von Kurzschlussströmen in den Ständerringblechen erforder lichen Schlitze regt man zweckmässig so, dass sie sich in der Mitte eines Ständerquerjoches befinden. Man kann die Blechringe auch aus so viel Kreisabschnitten zusammensetzen, als Querjoche vorhanden sind, die Stossstellen liegen dann jeweils unter Joc-hnll,Je (ver gleiche die Schlitze 33, 34, 35, 36).
Ein besonders zweckmässiges Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist in Fig. 12 und 13 dar gestellt. Die Anordnung ist von der der Fig. 9 ab geleitet. Die gebleckten umlaufenden Ringe 21, 22, 25, 26 bestehen jedoch nur aus Ringabschnitten, die sich z. B. über 90 des Bohrungsumfangs erstrecken -(Boh rung ist der zylindrische Raum, in dem sich der Läufer dreht) und von denen in Fig. 12 die beiden um 180 versetzten Abschnitte 23a und 23b dargestellt sind.
Die Ringabschnitte 23a, 24a, 27a, 28a des Läufers, die in axialer Richtung geblecht sind, werden durch das Läuferquerjoch 9e, überdrückt, desgleichen die um 1'80 versetzten Ringabschnitte, 23b, 24b, 27b, 28b durch das Läuferquerjoch 9b. Im Ständer sind die feststehen- dn Ringe 21, 22, 25, 26 in je 4 sich z.
B. über 90 in Umfangsrichtung erstreckende Ringabschnitte unter teilt, von denen in Fig. 12 die Abschnitte Zia, 21b, 21c, 21d dargestellte sind, die untereinander keine elek- trischleitende Verbindung haben. Die Ringabschnitte 21b, 22b, 25b, 26b durch das Querjoch 6b überbrückt usw. Man erreicht dadurch, dass -die Ringabschnitte vom Fluss nur noch in radialer, nicht mehr dagegen auch in Umfangsrichtung durchflossen werden.
Ihre radialen Abmessungen werden daher nicht mehr vom Betrag des Flusses abhängig, man wird sie zweckmässig etwa gleich der des Kupfers machen, um für die Querjoche einfache, ungenutete Bleche verwenden zu können. Man erreicht durch eine derartige Anordnung, dass der aus dem Läufer in den Ständer übertretende Fluss bei jeder Stellung des Läufers den gleichen magnetischen Leit wert im Ständer vorfindet, ohne dass dies mit einem unwirtschaftlich grossen Werkstoffaufwand erkauft wer den muss.
Man kann auch den Pol -Bogen eines Teils der Ringabschnitte grösser machen als 90 und dafür den anderen Teil entsprechend -kleiner. Zum Beispiel kann der Pol -Bogen der Abschnitte 23a, 23b, 21a, 21e und der in axialer Richtung zugehörige Abschnitt 100 betragen, wenn die Abschnitte 21b, 21d usw. auf 80 verringert werden.
Es muss nur darauf geachtet werden, dass der Läuferbei jeder Stellung einen gleichbleibenden magnetischen Leitwert im Ständer vorfindet. Wenn diese Bedingung eingehalten wird, -kann .man die Zahl der Pol -Bogen im Ständer beliebig grösser als zwei wäh len. Auch für den Läufer :trifft dies zu. Die Pol -Bogen können jedoch im Läufer aus Platzgründen nicht so unmittelbar aufeinander folgen wie im Ständer, was auch nicht erforderlich ist.
Es genügt für die beab sichtigte Wirkung, wenn der aus .dem Läufer in den Ständer übertretende Fluss hier den gleichbleibenden magnetischen Leitwert vorfindet.
Bei der Ausführung des Ständereisens nach Fig. 12 und 13 ist dieses jeweils nur zur<B>Hälfte.</B> ausgenutzt, weil der Fluss in einem Ständerte- Null ist, wenn er im anderen den vollen Wert hat und umgekehrt. Auch der Läufer ist nur über einen Teil seines Umfanges voll ausgenützt.
Um beide Teile - Ständer und Läufer - über den vollen, in axialer und radialer Richtung ausführbaren Eisenquerschnitt voll ausnützen zu können, so dass da durch eine :
erhebliche Verkleinerung der Abmessungen möglich .ist, wird gemäss der weiteren Erfindung der Eisenkörper .des umlaufenden Zweitteiles aus Blechen zusammengesetzt, die -in Umfangsrichtung evolventen- förmig gebogen und so geschichtet sind, dass sie, in axialer Richtung einen Kreiszylinder bilden. Das.
Blech paket des Läufers rist also aus evolventenförmig gDboge- nen Blechen zusammengesetzt, die den ganzen verfüg baren Querschnitt .des durch den Bohrungsdurchmesser gegebenen Kreises :ausfüllen und den Fluss sowohl in axialer als auch in radialer Richtung -d rchlassen. Aus führungsformen dieser Art sind in den Fig. 14 bis 22 dargestellt.
In Fig. 14 bezeichnen 41a, 41b, 41e, 41d Ring abschnitte ( Pol -Bögen) des Ständers, die in axialer Richtung geblecht sind und sich in Umfangsrichtung etwa über 90 erstrecken. Entsprechend den drei Pha sen sind noch weitere gleichartig aus Ringabschnitten 42a, 42b, 42c, 42d; 43a, 43.b, 43c, 43d und 44a, 44b, 44e, 44d gebildete Blechpakete in axialer Richtung vor den Ringabschnitten 41a, 41'b, 41c, 41d angeordnet (vgl. Fig. 15).
Alle Blechpakete sind durch die in Umfangsrichtung .geschichteten Querjoche 45a, 45b, 45c, 45d miteinander -verbunden. Zwischen den Ständer- ringabschnitten 41a, 42a, 43a, 44a; 41b, 42b usw. be- finden sich die drei Sbänderwicklungen 46, 47, 48.
Der Läufer \besteht, -wie die Fig. 14 und 15 erkennen lassen, aus evolvenGenförmig .gebogenen und :in axialer Richtung durchgehenden =Blechen, .die, in axialer Rich- tung gesehen, als radiale Querschnitte einen geschlosse nen Kreisring erkennen lassen. Dieses Evolventen-Blech- paket -sei mit 49 bezeichnet.
Wie aus dem axialen Quer schnitt in Fig. 15 hervorgeht, gehen die Bleche über die ganze axiale Länge .durch und enthalten Nuten, in denen die drei Zweitwicklungen 50, 51, 52 unterge bracht sind. Damit die Zu- und Ableitungen der Läufer phasenwicklungen ein Richtung Wellenmitte geführt wer den können, müssen im Läuferblechpaket entsprechende Aussparungen 53, 54, 55 vorhanden sein.
Da die Läufer bleche über die ganze wirksame Länge durchgehen, kann das Läuferblechpaket durch Schrumpfringe 56 und 57 an den Blechpaketenden zusammengehaltnen werden. Die Bleche können auch geklebt werden. Die Blechpaketteile 58 und 59 zwischen den Aussparungen 53, 54 und 55 haben mit den anderen Blechen keine Verbindung und müssen daher besonders gehalten wer den, z.
B. mit Hilfe von Haltevorrichtungen, die an nasenförmigen Ansätzen dieser Blechpakete angreifen und in der Welle bzw. der Nabe 'befestigt sind.
Man kann das Läuferblechpaket auch "so ausführen, wie es Fig. 16 zeigt, Die Läuferbleche sind hierbei in axialer Richtung unterteilt, so dass man.drei gleichartige Blechpakete 49a, 49b, 49c erhält, von-denen jedes durch Schrumpfringe 56a, 57a, 56b, 57b usw. zusammen gehalten wird. Hier werden die Blechpaketteile zu bei den Seiten -der Aussparungen<B>5</B>3, 54, 55 durch die Schrumpfringe mit zusammengehalten.
Da die Schrumpfringe 56, 57 keinen Fluss umfassen, können sie unisoliert aufgesetzt werden.; in .manchen Fällen kann es aber vorteilhaft sein, sie zu isolieren, z. B. wenn Streuflüsse seitlich austreten und in den kurzgeschlosse nen Ringen'Ströme hervorrufen.
Man ,kann auch bei Ausführungen nach Fig. 15 in der Mitte des Läuferblechpaketes z. B. in der Nut für die -Wicklung 41 Halteringe für das. Blechpaket vor sehen, nur dürfen diese Ringe dann nicht geschlossen sein, sondern müssen z. B. durch Schrauben isoliert zusammengehalten werden.
Die in den Fig. 14 bis 16 dargestellten Ausführungs beispiele betreffen Unispanner, bei denen Erst und Zweitwicklungen in radialer Richtung mittig zueinander angeordnet sind. Man kann aber den Erfindungsgedan- ken auch auf Ausführungen anwenden, bei dienen Erst und Zweitwicklungen in axialer Richtung aufeinander folgen. In den Fig. 14 und 18 ist ein derartiger Um spanner dargestellt.
Auf der Welle 60 sind evolventen- förmig gebogene Bleche 61 so angeordnet, dass sie im radialen Querschnitt einen Kreisring bilden, vgl. Fig. 18. In den drei Ringnuten des Blechpaketes, befinden sich die drei Zweitwicklungen -62, 63, 64. Blechpaket und Wicklungen sind in einer topfförmigen Haltevorrichtung untergebracht, die in der Lage ist, die auf das Blech paket und die Wicklungen ausgeübten Fliehkräfte auf zunehmen. Man kann diese Haltevorrichtung auf das Blechpaket aufschrumpfen.
Eine Isolierung des Blech paketes gegenüber ,der Haltevorrichtung ist nicht unbe- dingt.erforderlich, kann aber vorgesehen werden.
Der Ständer .ist in 'ähnlicher Weise aufgebaut mit Blechen 66, Erstwicklungen 67, 68, 69 und einem Ge häuse 70. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 17 und 18 ist das Verhältnis von Aussen- zu Innendurchmesser verhältnismässig gross, so dass der sogenannte Wälzungs- winkel etwa 330 beträgt.
Macht man das Verhältnis kleiner, so erhält man einen kleineren Wälzungswinkel, was die Fertigung erleichtert. Man kann den Umspanner auch einphasig ausführen und bei Drehstrom drei Ein phasenumspanner auf der Welle hintereinander anord nen. Ständer und Läufer der Einzelumspanner folgen dann in axialer Richtung abwechselnd :aufeinander, was einen etwas schwierigeren Zusammenbau ergibt.
Für die Anschlussleitungen der Wicklungen muss man ebenfalls Öffnungen in den Blechpaketen aussparen in ähnlicher Weise, wie dies auch bei den Ausführungs beispielen nach Fig. 14 bis 16 der Fall ist.
Es ist auch möglich, die Zuleitungen in entsprechenden Aussparun gen auf der Blechpaketoberfläche unterzubringen, die an den Luftspalt grenzt. Man kann auch nur den Läufer mit einer Evolventenblechung versehen, während der Ständer in ähnlicher Weise ausgeführt wird, wi'e es die Fig. 1 bis 5 zeigen. In den Fig. 19, 20, 21 und 22 sind derartige Ausführungsbeispiele dargestellt.
In den Fig. 19 und 20 befinden sich die Erstwicklungen 67, 68, 69 zwischen Blechringen 71, 72, 73, 74, die aus Eisenblechbändern gewickelt sind. Der magnetische Kreis wird durch die Joche 75, 76, 77,<B>78</B> geschlossen, die als Kreisausschnitte geblecht sind.
Man kann auch, wie es die Fig. 21 und 22 zeigen, nur zwei Joche 75 und 76 vorsehen, von denen das Joch 75, von oben ge sehen, rechteckförmigen, von der Seite gesehen, U-för- migen Querschnitt hat; das Joch 76 ist dagegen, von beiden Seiten gesehen, rechteckförmig. Die Bleche sind in beiden Jochen rechtwinklig zueinander geschichtet und überdecken sich gegenseitig zu einem grossen Teil. Auf diese Weise kann der Fluss aus jedem Blechring ohne Schwierigkeiten in einen anderen Blechring über treten.
Es bereitet keine Schwierigkeiten, die einfach ge fertigten Wicklungen der Anordnung mit Anzapfungen zu versehen, so dass man sich dadurch leicht wechseln den Verhältnissen anpassen kann.
Es ist zweckmässig, zur besseren Kühlung der Wick lungen der Blechpakete Kühlkanäle oder Kühlschlitze im Blechpaket und in den Wicklungen oder zwischen beiden vorzusehen. Bei den Anordnungen nach Fig. 1 bis 5 bewirkt schon das umlaufende Querjoch 9 bzw. mehrere derartige Joche einen Luftstrom in radialer Richtung. Man kann aber auch durch geeignete Lüfter flügel einen Luftstrom in axialer Richtung durch Schlitze und Kanäle im Ständer und im Läufer treiben.
Bei den Anordnungen nach Fig. 7 bis 11 kann durch den Läufer in besonders einfacher Weise ein Kühlluftstrom in radialer Richtung erzeugt werden. Die Anordnung nach Fig. 11 ist in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft, so dass man hier eine sehr wirksame Küh lung erhält, die eine hohe Beanspruchung der Werk stoffe zulässt und daher zu kleinen Abmessungen führt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die kontakt lose Erregung von Synchronmaschinen beschränkt. Man kann sie überall da anwenden, wo es darum geht, en- oder mehrphasige Wechselströme auf ein umlaufendes Gerät kontaktlos zu übertragen, z. B. bei umlaufenden Leuchtfeuern und ähnlichen Geräten, besonders auch in Betriebsräumen mit zündfähigen Gasgemischen.
Auch bei Wechselstrom-Grossgeneratoren, bei denen die Zu führung der sehr grossen Erregerströme über Schleif ringe und Bürsten Schwierigkeiten bereitet, können Anordnungen nach der Erfindung Vorteile bieten.