DE3018581C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine drehende elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche drehende elektrische Maschine ist aus der US-PS 37 13 015 bekannt. Dort wird offenbart, die Regelung der Generatorausgangsspannung durch Verändern des Magnetfeldes zu bewirken und zu diesem Zweck den Rotor aus zwei Permanentmagnete aufweisenden Rotorteilen zu bilden, die relativ zueinander ver­ drehbar sind. Die Einstellung der relativen Winkelposition der beiden Rotorteile zueinander erfolgt durch eine Vorrichtung, die durch ein elektromagnetisches Betätigungsglied aufgrund einer Generatospannungsregelabweichung angetrieben wird und eine lineare Bewegung desselben in eine Drehbewegung umsetzt.

Es ist nun aber notwendig, daß die oben beschriebene Relativbe­ wegung an der in Betrieb befindlichen Maschine vorgenommen wird. Dabei ist die Kraft, die für die Relativbewegung der Magnete erforderlich ist, im wesentlichen gleich der Änderung der Aus­ gangsleistung und damit bei größeren Maschinen so beträchtlich, daß eine elektromagnetische Steuerung nicht mehr ausreicht.

Aus der DE-PS 3 80 190 ist eine drehende elektrische Maschine bekannt, bei der die beiden Permanentmagnetrotoren durch die Fliehkraft von Hebelgelenken verstellt werden. Und im DE-GM 19 83 116 ist ein Synchrongenerator offen­ bart, bei der durch eine Hydraulikregelung der Luftspalt zwi­ schen Rotor und Stator verändert wird, wobei Stellglieder für Strom und Spannung vorgesehen sind, die über einen Servomotor sowie ein Gestänge mit Winkelhebeln und Gleitmuffen mit axial beweglichen Polschuhen auf den Polen verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine drehende elektrische Maschine zu schaffen, bei der die Verstellung der Rotorteile zum Zwecke der Regelung der Maschine auch bei hohen Ausgangsleistungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine drehende elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Im weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Schnitt durch einen Permanentmagnet-Wechselstromgenerator; und

Fig. 2, 3 und 4 Darstellungen der Relativposition der Permanent­ magneten in dem Generator nach Fig. 1 in ent­ sprechenden Betriebszuständen des Generators.

Ein Wechselpol-Permanentmagnetgenerator weist einen Rotor mit einer Welle 10 auf, an der zwei ringförmige Joche 11, 12 montiert sind. Das Joch 11 ist mit der Welle 10 verkeilt, so daß es sich mit dieser dreht, und das Joch 12 ist so montiert, daß es eine begrenzte Winkeldrehung relativ zur Welle 10 ausführen kann. Eine erste Mehrzahl von Samarium-Kobalt-Permanentmagnetelementen 13 ist umfangsmäßig einen Abstand aufweisend um das Joch 11 und eine zweite Mehrzahl von Samarium-Kobalt-Permanentmagnetelementen 14 umfangsmäßig einen Abstand aufweisend um das Joch 12 herum angeordnet.

Ein Statorkern 15 umgibt die Magnetelemente 13, 14 und trägt eine erste Ankerwicklung 16, von der eine Ausgangsspannung des Generators abgeleitet wird. Der Statorkern 15 trägt auch eine zweite Sättigungswicklung 17, welche mittels einer Steuerschal­ tung 18 beaufschlagbar ist, die auf die Ausgangsspannung von der Ankerwicklung 16 anspricht. Die Anordnung ist so gewählt, daß die Ankerwicklung 16 auf den Fluß von der Wicklung 17 anspricht, die so erregt wird, daß sie Änderungen in der Ausgangsspannung der Ankerwicklung 16 als Folge von Variationen einer äußeren Last entgegenwirkt.

Eine Relativdrehung zwischen den Jochen 11, 12 und damit zwischen den Magnetelementen 13, 14 wird bewirkt durch eine Kolben-Zylinder- Einrichtung 19, die sich mit dem Joch 11 dreht und deren relativ zueinander bewegbaren Teile mit dem Joch 11 bzw. dem Joch 12 verbunden sind. Die Kolben-Zylinder-Einrichtung 19 wird mittels Servodruckes betrieben, der über eine Leitung 20 in der Welle 10 zugeführt wird.

Der Druck in der Leitung 20 wird von einer Verdrängerpumpe 21 geliefert, deren sich drehende Teile antriebsmäßig mit der Welle 10 verbunden sind und die Flüssigkeit von einem Niederdruckein­ gang 22 ansaugt und diese unter Druck stehend an ein Regelventil 23 abgibt. Das Regelventil 23 spricht auf die Geschwindigkeit der Welle 10 an und steuert den Druck in der Leitung 20, so daß dieser Druck eine Funktion der Geschwindigkeit der Welle 10 ist. Überschüssiger Druck wird von dem Regelventil 23 zu einer Nieder­ druck-Rückführleitung 24 in geeigneter Weise abgeleitet bzw. ent­ lüftet. Eine elektromagnetische Vorrichtung 25 ist bei einem vorbestimmten Niveau der Geschwindigkeit der Welle 10 erregbar. Geeigneterweise wird die Vorrichtung 25 durch einen Hilfsgenera­ tor 27 erregt, der einen Teil der Maschine als Ganzes bildet. Die Vorrichtung wirkt mit dem Regelventil 23 zusammen, um letzte­ res bei dieser vorbestimmten Geschwindigkeit in Betriebsstellung zu bringen in der Weise, daß unterhalb der genannten vorbestimm­ ten Geschwindigkeit der Druck in der Leitung 20 nicht ausreicht, eine Relativbewegung der Joche 11, 12 zu bewirken. Eine Vorspann­ feder (Ankerumlegefeder) 26 kann zwischen den Kolben- und Zylin­ derteilen der Einrichtung 19 in Eingriff sein, um den Fluß der Magnete 13, 14 beim Vorspannen der Joche 11, 12 gegen eine Rela­ tivdrehung als Antwort auf ein Anwachsen des Druckes in der Leitung 20 zu unterstützen.

Im Betrieb mit der Welle 10 in Ruhestellung sind die Relativposi­ tionen der Magnete 13, 14 die in Fig. 2 gezeigten, in denen der Fluß von den Magneten wirksam kurzgeschaltet ist und nicht mit der Wicklung 16 zusammenwirkt. Diese Relativstellungen dauern an, bis die Geschwindigkeit der Welle ein erstes Niveau erreicht hat, und es tritt keine Ausgangsleistung von dem Generator auf, bis dieses erste Geschwindigkeitsniveau erreicht ist. Die Vorrich­ tung 25 wirkt bei dem genannten ersten Geschwindigkeitsniveau, um das Regelventil 23 in Betrieb zu halten, wobei bei diesem Stadium das Regelventil 23 im wesentlichen den ganzen von der Verdrängerpumpe 21 erzeugten Druck an die Kolben-Zylinder-Ein­ richtung 19 durchläßt, und es ist so eingerichtet, daß dieser Druck ausreicht, das Joch 12 relativ zum Joch 11 mit einem Dämpfungsendanschlag in die in Fig. 3 gezeigten Relativpositio­ nen der Magnete zu bewegen. Diese Magnetstellungen entsprechen dem maximalen Fluß, und die Generatorausgangsleistung wird das Maximum übereinstimmend bleibend mit dem genannten ersten Ge­ schwindigkeitsniveau.

Es ist ersichtlich, daß, weil der Generator sich von der Null- Ausgangsleistung zu einer maximalen Ausgangsleistung verändert hat, die Kraft, die für die Relativbewegung der Magnete 14 erfor­ derlich ist, im wesentlichen gleich der Änderung in der Genera­ torausgangsleistung ist und daß die Pumpe 21 so ausgebildet ist, daß sie für diesen Zweck eine ausreichende Kraft bzw. Ausgangs­ leistung liefert.

Ein anschließendes Anwachsen in der Wellengeschwindigkeit be­ wirkt, daß der Druck in der Leitung 20 kleiner wird und eine Relativbewegung zwischen den Jochen 10 und 11 erfolgt, wodurch die Permanentmagnetelemente 13, 14 sich aus der in Fig. 3 gezeig­ ten Polausrichtstellung in die in Fig. 4 gezeigten Relativstel­ lungen bewegen. Diese Bewegung bewirkt ein Schwächen der kombi­ nierten Felder der Magnete 13, 14 und eine Verminderung der Aus­ gangsspannung von der Ankerwicklung 16. Wenn die Geschwindigkeit der Welle 10 ein vorbestimmtes Maximum überschreitet, dann fällt der Druck in der Leitung 20 auf ein Niveau ab, bei dem die Feder 26 auf die Joche 11, 12 so einwirkt, daß die Magnetelemente 13, 14 die in Fig. 2 gezeigten Relativstellungen wieder einnehmen, d. h., daß die Magnete 14 um eine Stufe von den in Fig. 3 gezeig­ ten Originalpositionen versetzt sind und der Fluß von den Magne­ ten 13, 14 wirksam kurzgeschlossen bzw. überbrückt wird und von den Ankerwicklungen 16 im wesentlichen keine Ausgangsspannung geliefert wird.

Die Drehung der Welle 10 erfolgt so, daß die Bewegung der Mag­ nete 13, 14 in der durch die Pfeile R in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Richtung bewirkt wird. Wird die Welle 10 somit schnell beschleunigt, dann bewirkt die Trägheit des Joches 12, daß sich dieses und die Magnetelemente 14 relativ zu den Magneten 13 in die in Fig. 3 gezeigten Positionen bewegen, wodurch kurzzeitig die Ausgangsspannung des Generators reduziert wird, bis die richtigen Relativstellungen mittels des Regelventils 23 einge­ stellt sind. Ähnlich bewirkt eine schnelle Abbremsung der Welle ein vorübergehendes Anwachsen der Ausgangsspannung. Beschleuni­ gen und Abbremsen der Welle 10 ergeben somit eine anfängliche Relativbewegung der Magnetelemente 14 in der richtigen Richtung zum Regulieren der Ausgangsspannung.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel sich auf eine Wech­ selpolmaschine mit einem radialen Luftspalt bezieht, kann die Erfindung auch bei Gleichpolmaschinen und solchen mit axialen Luftspalten Anwendung finden.

Mit den Magneten in den in Fig. 3 gezeigten Relativpositionen ist der Fluß von den Magnetelementen 13, 14 ein Maximum und so eingerichtet, daß er die gewünschte Ausgangsspannung bei maxima­ ler äußerer Last, für die die Maschine ausgelegt ist, liefert.

Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Einrichtung als Motor betrieben werden kann, wenn die Hauptstatorwicklungen (Haupt­ ankerwicklungen) mit Wechselstrom beaufschlagt werden, der so­ wohl mit der Rotorgeschwindigkeit als auch mit der Anzahl der Permanentmagnetpole synchronisiert ist.

Die beschriebene Anordnung liefert also eine Maschine, bei der die Spannung auf der Hauptstatorwicklung bei sich variierender äußerer Last und variierender Rotorgeschwindigkeit im wesent­ lichen konstant gehalten werden kann. Wird beispielsweise ein Generator durch eine Antriebsmaschine angetrieben, deren Ge­ schwindigkeit variieren kann und der eine variable äußere Last liefert, dann kann eine Verlangsamung der Rotorgeschwindigkeit durch ein Verkleinern der äußeren Last begleitet werden. In solchen Fällen ist es nachteilig, daß eine einzelne flußmodi­ fizierende Vorrichtung auf beide Variable anspricht, da die Variablen eine Modifikation des Flusses in entgegengesetzten Richtungen erfordern. Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Fluß in Abhängigkeit von den beiden Variablen unabhängig modi­ fiziert werden kann.

Claims (6)

1. Drehende elektrische Maschine mit Permanentmagnet mit
einem Rotor (11, 12) mit einer Mehrzahl von ersten, in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolele­ menten (13) und einer Mehrzahl von zweiten, in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolele­ menten (14),
einer den Rotor (11, 12) umgebenden ersten Statorwicklung (16) und
einem von einem Signal steuerbaren Betätigungsglied (19) zum Verändern der Winkelpositionen der ersten Magnetelemente (13) relativ zu den zweiten Magnetelementen (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf die Geschwindigkeit des Rotors (11, 12) ansprechendes Ventil (23) zum Regulieren eines das Signal darstellenden Servodruckes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit vorgesehen ist, und
daß das Betätigungsglied (19) auf die Größe des Servodruckes zum Verändern der relativen Winkelpositionen der ersten Magnet­ elemente (13) relativ zu den zweiten Magnetelementen (14) anspricht.

2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf die Rotation des Rotors (11, 12) unterhalb eines Geschwindigkeitsniveaus ansprechende Einrich­ tung (25), die bewirkt, daß die ersten und zweiten Magnetelemen­ te (13, 14) in Relativstellungen bewegt werden, in denen ihr Fluß nicht mit der Statorwicklung (16) zusammenwirkt.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (25) mit dem Ventil derart zusammenwirkt, daß das Ventil (23) ein Servodrucksignal bei einem vorbestimmten Niveau aufrechterhält, wenn die Rotor­ geschwindigkeit unter dem Geschwindigkeitsniveau liegt.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine mit dem Rotor (11, 12) antriebsmä­ ßig verbundene Pumpe (21) zum Zuführen von unter Druck ste­ hendem Fluidmittel an das Ventil (23).

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor erste und zweite Joche (11, 12) aufweist, auf denen die ersten (13) und zweiten (14) Magnetelemente jeweils montiert sind,
daß das zweite Joch (12) winkelmäßig um die Rotorachse rela­ tiv zum ersten Joch (11) bewegbar ist, und
daß das Betätigungsglied (19) eine Kolben-Zylinder-Einrich­ tung aufweist, die mit dem ersten und zweiten Joch (11, 12) entsprechend zusammenwirkt.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
eine zweite Statorwicklung (17), wobei die erste Wicklung (16) auf einen Fluß anspricht, der durch die zweite Wicklung (17) erzeugbar ist, und
eine Steuerschaltung (18), die auf eine in der ersten Wick­ lung (16) induzierte Spannung anspricht zum Erregen der zwei­ ten Wicklung (17) in einem Sinn zum Entgegenwirken der Ände­ rungen in der induzierten Spannung.