DE102015116141B4

DE102015116141B4 - Synchronmaschine mit einer gemeinsamen Motor/Generator-Erreger-Stufe

Info

Publication number: DE102015116141B4
Application number: DE102015116141.9A
Authority: DE
Inventors: Lijun Gao; Matthew J. Krolak; Shengyi Liu
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: CN105471173A; CA2898137C; BR102015021114A2; JP7053132B2; US10784757B2; RU2698102C2; RU2015129652A; US20160094114A1; DE102015116141A1; CN105471173B; JP2016073189A; US20190058382A1; FR3026576A1; RU2015129652A3; CA2898137A1; FR3026576B1; US10305356B2

Abstract

Synchronmaschine (100) mit:einem Rahmen (110);einer Welle (115), die sich von zumindest einem Ende des Rahmens erstreckt;einem Haupt-Abschnitt (120) mit:einer stationären Wicklung (130), die an dem Rahmen angebracht ist, undeiner drehenden Wicklung (135), die an der Welle angebracht ist und beabstandet von und magnetisch gekoppelt mit der stationären Wicklung ist; undeinem Erreger-Abschnitt (125) mit:einem Transformator (140) mit einer Primärwicklung (140A) und einer Sekundärwicklung (140B), die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei jede Wicklung scheibenförmig ist, wobei die Sekundärwicklung einen äußeren Radius hat und an der Welle befestigt ist, die Primärwicklung einen inneren Radius hat und an dem Rahmen befestigt ist, wobei der äußere Radius kleiner ist als der innere Radius, wobei die Sekundärwicklung innerhalb der Primärwicklung positioniert ist;einem Gleichrichter (145), der an der Welle befestigt ist, um ein Ausgangssignal der Sekundärwicklung gleichzurichten und ein gleichgerichtetes Ausgangssignal an die drehende Wicklung zu liefern;einer Vielzahl von elektrischen Leitern (134, 142), um den Ausgang der Sekundärwicklung mit dem Gleichrichter zu verbinden und um das gleichgerichtete Ausgangssignal des Gleichrichters zu der drehenden Wicklung zu führen; undeiner Steuerungseinheit (170), um ein Steuerungssignal der Primärwicklung steuerbar bereitzustellen,wobei die Steuerungseinheit (170) zumindest eine Frequenz des Steuerungssignals variiert,wobei die Synchronmaschine als ein Synchrongenerator arbeitet und eine Ausgangsspannung mit einer Ausgangsfrequenz bereitstellt, wenn ein Eingangsdrehmoment auf die Welle aufgebracht wird, oder als Synchronmotor arbeitet, wenn eine Eingangsspannung mit einer Eingangsfrequenz der stationären Wicklung zugeführt wird, undwobei die Steuerungseinheit (170) bewirkt, dass das Steuerungssignal eine Frequenz besitzt, die zumindest zehnmal höher ist als die Ausgangsfrequenz der Ausgangsspannung oder als die Eingangsfrequenz der Eingangsspannung.

Description

HINTERGRUND
Eine Synchronmaschine ist eine elektrische Maschine, die entweder als Synchronmotor (Synchronmotormodus) oder als Synchrongenerator (Synchrongeneratormodus) arbeiten kann. Bisher hat eine Synchronmaschine zwei separate und unabhängige Erreger-Feldwicklungen. Ebenfalls wurden bisher zwei separate und unabhängige Steuerungseinheiten verwendet, wobei eine Steuerungseinheit für die Erreger-Wicklung für den Synchronmotormodus und eine andere Steuerungseinheit für die Erreger-Wicklung für den Synchrongeneratormodus vorgesehen waren. Die Verwendung von zwei Erreger-Wicklungen und zwei Steuerungseinheiten macht die Synchronmaschine und das System, in dem sie verwendet wird, komplizierter, schwerer und weniger zuverlässig. Die zwei Erreger-Komponenten einer herkömmlichen Synchronmaschine können 20 bis 30 % des Gesamtvolumens und Gewichts der Synchronmaschine ausmachen. Einige herkömmliche Systeme benutzen nur eine einzelne rekonfigurierbare Erreger-Wicklung, benutzen aber weiterhin zwei separate und unabhängige Steuerungseinheiten, die dann Schalter und Verbinder benutzen, um die entsprechende Steuerungseinheit mit der Erreger-Wicklung zu verbinden. Duale Erreger-Wicklungen, duale Steuerungseinheiten und/oder Schalter und/oder Kontakte fügen Kosten, Gewicht, Volumen und Komplexität dem System zu und beeinflussen negativ die Gesamtzuverlässigkeit des Systems. Die Druckschrift US 5 770 909 A von Rosen et al. offenbart ein Synchrongeneratorsystem, das einen drehenden Transformator verwendet.
Die Druckschrift EP 2 551 999 A1 zeigt eine elektrische Maschine mit schleifringloser Erregung.
Die Druckschrift DE 10 2012 006 559 A1 zeigt eine weitere elektrische Maschine.
Herkömmliche Synchronmaschinen benutzen auch einen niederfrequenten Erreger-Strom und große Feldwicklungen werden benutzt, um Energieverluste zu verhindern. Diese großen Feldwicklungen erhöhen Menge oder Gewicht des teuren Kupfers, das in den Wicklungen verwendet wird. Bei dem herkömmlichen niederfrequenten Erreger-Strom wird ferner die elektromotorische Rückkraft, die in der Feldwicklung erzeugt wird, signifikant und beeinflusst durch die Rotationsgeschwindigkeit, und dies kann Stabilitätsprobleme während des Startvorgangs bewirken.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Zum Lösen der zuvor genannten Aufgabe sind eine Synchronmaschine und ein Verfahren zur Herstellung einer Synchronmaschine nach den unabhängigen Ansprüchen vorgesehen.
Eine beispielhafte Synchronmaschine kann entweder als Synchronmotor oder als Synchrongenerator betrieben werden. Die Synchronmaschine hat einen Rahmen, eine Welle, einen Haupt-Abschnitt und einen Erreger-Abschnitt. Der Haupt-Abschnitt hat einen Stator (eine stationäre Wicklung, die eine Anker-Wicklung sein kann), die an dem Rahmen befestigt ist, und einen Rotor (eine drehende Wicklung, die eine Feldwicklung sein kann), der an der Welle befestigt ist, wobei der Stator und der Rotor magnetisch miteinander gekoppelt sind. Der Erreger-Abschnitt hat einen Transformator und einen Gleichrichter. Der Transformator hat eine Primärwicklung, die an dem Rahmen befestigt ist, und eine Sekundärwicklung, die an der Welle befestigt ist. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung sind voneinander getrennt und magnetisch miteinander gekoppelt. Der Gleichrichter ist elektrisch mit der Sekundärwicklung verbunden, ist mechanisch mit dem Rotor verbunden und richtet ein Ausgangssignal in der Sekundärwicklung gleich, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal an dem Rotor bereitzustellen. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators sind scheibenförmig vorgesehen. Eine Steuerungseinheit liefert ein Steuerungssignal an die Primärwicklung, um den Betrieb der Synchronmaschine zu steuern. Die Synchronmaschine arbeitet als ein Synchrongenerator und stellt eine Ausgangsspannung mit einer Ausgangsfrequenz bereit, wenn ein Eingangsdrehmoment auf die Welle aufgebracht wird, oder arbeitet als Synchronmotor, wenn eine Eingangsspannung mit einer Eingangsfrequenz der stationären Wicklung zugeführt wird Das Steuerungssignal besitzt eine Frequenz, die zumindest zehnmal höher ist als die Ausgangsfrequenz der Ausgangsspannung oder als die Eingangsfrequenz der Eingangsspannung.
Bei einer Ausführungsform hat die Primärwicklung einen inneren Radius und die Scheibe definiert eine Ebene, die rechtwinklig zu der Welle ist, und die Sekundärwicklung hat einen äußeren Radius, der kleiner ist als der innere Radius, so dass die Sekundärwicklung innerhalb der Primärwicklung positioniert werden kann.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Primärwicklung an dem Rahmen an einem Ende der Welle angebracht, die Scheibe der Primärwicklung definiert eine erste Ebene, die rechtwinklig zu der Welle ist, und die Sekundärwicklung ist an der Welle nahe an einem Ende der Welle befestigt, die Scheibe der Sekundärwicklung definiert eine zweite Ebene, die rechtwinklig zu der Welle ist, wobei die zweite Ebene parallel und beabstandet von der ersten Ebene ist, die Welle nicht in die erste Ebene eindringt und die Welle einen Kanal hat, in dem elektrische Leiter vorgesehen sind, um den Gleichrichter mit zumindest der Sekundärwicklung oder dem Rotor zu verbinden.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Synchronmaschine, die als Synchronmotor oder als Synchrongenerator betreibbar ist, umfasst das Bereitstellen eines Rahmens, Befestigen eines Stators an dem Rahmen, Bereitstellen einer Welle, die sich von zumindest einem Ende des Rahmens erstreckt, Befestigen eines Rotors an der Welle, Befestigen einer Primärwicklung eines Transformators an dem Rahmen, Befestigen einer Sekundärwicklung des Transformators an der Welle, wobei die Sekundärwicklung beabstandet zu und magnetisch gekoppelt mit der Primärwicklung ist, Befestigen eines Gleichrichters an der Welle und elektrisches Verbinden eines Eingangs des Gleichrichters mit der Sekundärwicklung und eines Ausgangs des Gleichrichters mit dem Rotor. Die Sekundärwicklung ist der Primärwicklung gegenüberliegend befestigt, so dass sie in unterschiedlichen Ebenen sind. Ein Kanal kann in der Welle vorgesehen sein, so dass die elektrischen Leiter von dem Gleichrichter zu der Sekundärwicklung und/oder dem Rotor in diesem verlaufen können.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm einer beispielhaften Synchronmaschine.
2 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform der Synchronmaschine zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine andere beispielhafte Ausführungsform der Synchronmaschine zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Diagramm einer beispielhaften Synchronmaschine 100. Die Synchronmaschine 100 hat einen Rahmen 110, eine Welle 115, einen Haupt-Abschnitt 120 und einen Erreger-Abschnitt 125. Der Haupt-Abschnitt 120 hat einen Stator 130 (eine stationäre Wicklung, die eine Ankerwicklung sein kann), die an dem Rahmen angebracht ist, und einen Rotor 135 (eine sich drehende Wicklung, die eine Feld-Wicklung sein kann), die an der Welle 115 angebracht ist. Ein Teil oder der gesamte Rahmen 110 können Teil eines Gehäuses sein, oder getrennt sein, wobei das Gehäuse die Synchronmaschine 100 umschließt.
Der Erreger-Abschnitt 125 hat einen Transformator 140 und einen Gleichrichter 145. Der Transformator 140 hat eine Primärwicklung 140A, die an dem Rahmen 110 angebracht ist, und eine Sekundärwicklung 140B, die an der Welle 115 angebracht ist. Die Sekundärwicklung 140B ist beabstandet zu der Primärwicklung 145A und magnetisch gekoppelt mit dieser vorgesehen. Der Gleichrichter 145 ist elektrisch mit einer Vielzahl von elektrischen Leitern 137 mit der Sekundärwicklung 140B verbunden, ist elektrisch mit einer Vielzahl von elektrischen Leitern 142 mit dem Rotor 135 verbunden und richtet einen Ausgang der Sekundärwicklung 140B gleich, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal an den Rotor 135 zu liefern. Aus Vereinfachungs- und Verkürzungsgründen wird der Ausdruck „elektrische Leiter“ und „Vielzahl von elektrischen Leitern“ hier auch einfach als „Leiter“ bezeichnet. Der Gleichrichter 145 ist an der Welle 115 befestigt entweder durch Befestigen auf der Welle 115 oder durch eine andere gewünschte oder geeignete Technik, dergestalt, dass der Gleichrichter 115 in der Sekundärwicklung des Transformators 140 enthalten ist. Falls gewünscht, kann das Ausgangssignal der Sekundärwicklung 140B und/oder des Gleichrichters 145 gefiltert oder geglättet sein, bevor es an den Rotor 135 geführt wird.
Es kann auch möglich sein, dass die Synchronmaschine 100 einen stationären Abschnitt 150 und einen drehenden Abschnitt 155 aufweist, wobei der stationäre Abschnitt 150 den Rahmen 110 umfasst, die Primärwicklung 140A und den Stator 130, und der drehende Abschnitt 155 die Welle 115, den Rotor 135, die Sekundärwicklung 140B und den Gleichrichter 145 umfasst.
Die elektrischen Leitungen 165, die mit dem Stator 130 verbunden sind, dienen als Eingangsleitungen, um eine elektrische Eingangsspannung und Leistung an die Synchronmaschine 100 zu liefern, wenn sie im Synchronmotormodus ist, und dienen als Ausgangsleitungen, um eine elektrische Ausgangsspannung und Leistung von der Synchronmaschine 100 bereitzustellen, wenn sie im Synchrongeneratormodus ist.
Eine Steuerungseinheit 170 überwacht einen oder mehrere Parameter der elektrischen Leitungen 165 und liefert ein Ausgangssteuerungssignal über Leitungen 180 an die Primärwicklung 140A. Die Steuerungseinheit 170 kann Parameter überwachen, wie beispielsweise, aber nicht einschränkend, die Spannung, den Strom, Frequenz und/oder die Phase auf den elektrischen Leitungen 165. Die Parameter, die überwacht werden, können teilweise davon abhängen, ob die Maschine 100 als Motor oder als Generator betrieben wird. Diese Eingangsparameter können gefiltert sein, falls gewünscht, um ein Rauschen zu reduzieren, bevor sie der Steuerungseinheit 170 zugeführt werden.
Das Steuerungssignal ist eine Wechselspannung (AC-Spannung) beispielsweise, aber nicht beschränkend, ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Wechselspannungssignal. Das Steuerungssignal besitzt vorzugsweise eine Rechteck-Wellenform, wie sie von einem pulsweitenmodulierten Schaltsystem bereitgestellt wird, kann aber auch eine Sinus-Wellenform oder eine andere gewünschte Wellenform besitzen. Die Steuerungseinheit 170 steuert zumindest eine Pulsbreite, eine Spannung (die eine Pulsspannung sein kann) oder eine Frequenz, die eine Pulsfrequenz sein kann) des Steuerungssignals. Das Steuerungssignal kann eine Vielzahl von Impulsen oder eine Vielzahl von Zyklen eines AC-Signals sein, ein einzelner Impuls oder ein Zyklus von AC-Signalen, ein Teil eines Zyklus eines AC-Signals oder eine Kombination davon. Abhängig von den überwachten Eingangsparametern kann beispielsweise das Steuerungssignal zwei Impulse oder zwei Zyklen eines AC-Signals sein, kann 6-1/2 Impulse oder 6-1/2 Zyklen eines AC-Signals sein oder kann weniger als ein voller Zyklus eines AC-Signals sein. Impulse können in Sätzen vorliegen, mit variabler Länge, mit unterschiedlicher Anzahl unterschiedlicher Sätze und/oder variabler Abstände zwischen den Sätzen. Das Steuerungssignal kann gefiltert sein, falls gewünscht, bevor es der Primärwicklung 140A zugeführt wird.
Das Steuerungssignal ist ein „hochfrequentes“ Steuerungssignal; das heißt es hat eine Frequenz, die höher ist als die Eingangsfrequenz (Motormodus), das heißt die Frequenz des Eingangssignals auf den elektrischen Leitungen 165, und höher als die Ausgangsfrequenz (Generatormodus), das heißt die Frequenz des Ausgangssignals auf den elektrischen Leitungen 165. Besonders bevorzugt ist die Frequenz des Steuerungssignals zumindest einige Male größer als die Frequenz der Spannung auf den elektrischen Leitungen 165. Die Frequenz des Steuerungssignals ist zumindest das zehnfache der Frequenz der Spannung auf den elektrischen Leitungen 165, um die Wirkungen auf die Erregung zu minimieren, die durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 135 verursacht werden. Höhere Frequenzen können auch benutzt werden. Geringere Frequenzen können auch benutzt werden, aber die Größe, das Gewicht und die Kosten der Wicklungen 140A, 140B können sich erhöhen mit sinkender Frequenz, und die Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung kann durch die Rotationsgeschwindigkeit der Welle negativ beeinflusst werden. Bei einer Ausführung ist die Frequenz des Steuerungssignals, das dem Transformator 140 zugeführt wird, 10 kHz, falls die Frequenz der Spannung auf den elektrischen Leitungen 165 400 Hz beträgt. Zusätzlich kann die Verwendung einer solchen höheren Frequenz für das Steuerungssignal ermöglichen, dass der Transformator 140 kleinere Wicklungen besitzt und weniger Eisen, als die Erreger-Ankerwicklungen herkömmlicher Systeme.
Die Steuerungseinheit 170 kann ebenfalls andere Parameter oder Aspekte des Betriebs der Synchronmaschine 100 überwachen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkend, die Rotationsgeschwindigkeit, die Wellen-Winkelposition, die Veränderungen darin etc. Beispielsweise kann ein Wellen-Positionskodierer (nicht gezeigt) mit der Welle verbunden sein, um die Winkelposition der Welle bereitzustellen. Die Steuerungseinheit 170 kann dann das Steuerungssignal auf den Leitungen 180 entsprechend einstellen. Falls die Maschine beispielsweise als Motor betrieben wird und die Last so ist, dass Änderungen der Wellen-Winkelposition anzeigen, dass der Motor nicht in der Lage ist, den Synchronbetrieb aufrechtzuerhalten, kann die der Primärwicklung 140A und damit dem Rotor 135 zugeführte Energie erhöht werden. Falls in einem Beispiel die Maschine als Generator betrieben wird und die Ausgangsspannung auf den Leitungen 165 sich erhöht, kann die der Primärwicklung 140A zugeführte Leistung reduziert werden. Die Steuerungseinheit 170 kann die Leistung variieren, indem beispielsweise die Pulsbreite, die Pulswiederholungsrate, die Amplitude des Steuerungssignals auf den Leitungen 180 und/oder das Pulsmuster (beispielsweise wie viele Impulse in einem Satz von Impulsen bereitgestellt werden, die Zeit zwischen jedem Satz von Impulsen, etc.) eingestellt wird.
Dieses Design einer Synchronmaschine stellt eine einzelne kompakte Hochfrequenz-Erreger-Stufe 125 sowohl für den Synchronmotormodus als auch den Synchrongeneratormodus bereit. Wie ausgeführt sind die Primärwicklung 140A und die Sekundärwicklung 140B beabstandet zueinander angeordnet; das heißt, dass sie sich nicht berühren, und die Sekundärwicklung 140B bewegt sich, wenn sich die Welle 115 dreht, während die Primärwicklung 140A, die an dem Rahmen 110 befestigt ist, sich nicht bewegt. Die Steuerungseinheit 170 liefert das Hochfrequenz-Steuerungssignal (Eingangsspannung) an die Primärwicklung 140A, die eine Hochfrequenz-AC-Ausgangsspannung in der Sekundärwicklung 140B induziert. Diese Hochfrequenz-AC-Ausgangsspannung wird von dem Gleichrichter 145 gleichgerichtet, um eine Gleichspannung (DC) an den Rotor 135 zu liefern. Der Gleichrichter 145 kann beispielsweise, aber nicht beschränkend, ein Vollwellen-Gleichrichter oder ein Brücken-Gleichrichter sein.
Das Hochfrequenz-Ausgangssignal von der Steuerungseinheit 170 erlaubt die Verwendung eines kleineren Transformators 140, was die Größe des Erreger-Abschnitts 145 reduziert und ebenfalls die Kupfer- und Eisenverluste reduziert. Die Hochfrequenz ermöglicht ebenfalls eine weitere Steuerungsbandbreite, die eine bessere Maschinengeschwindigkeitsstabilität und eine besser Drehmomentsteuerung bereitstellt. Der einzelne Erreger-Abschnitt 145 liefert auch eine vereinfachte Maschinenarchitektur, geringeres Gewicht von Kupfer und/oder Eisen, das eingesetzt wird, ein reduziertes Volumen und eine reduzierte Anzahl von Erreger-Quellen (kleinere Komponentenanzahl). Dieser einzelne Hochfrequenz-Erreger-Abschnitt 145 liefert deshalb eine bessere Effizienz und eine höhere Zuverlässigkeit als die zuvor erwähnten herkömmlichen Systeme.
Wie sich aus 1 ergibt, wird nur ein Rotor 135 und nur eine Steuerungseinheit 170 sowohl für den Synchronmotorbetrieb als auch den Synchrongeneratorbetrieb verwendet. Die Elimination der Duplikate von Rotor und Steuerungseinheit, die in herkömmlichen Designs verwendet werden, reduziert das Gewicht und das Volumen und die Anzahl von Komponenten der Synchronmaschine 100.
Durch Verwendung einer Hochfrequenz-AC-Eingangsspannung an dem Transformator 170 ist ferner die von dem Rotor 135 bereitgestellte Spannung stabiler als in herkömmlichen Synchronmaschinen. Eine noch stabilere Spannung an dem Rotor 135 verbessert die Stabilität und die Steuerung beim Start der Synchronmaschine 100.
2 ist eine Darstellung, die eine beispielhafte Ausführungsform der Synchronmaschine 100 zeigt, die einen Rahmen 110, die Welle 115, den Stator 130, den Rotor 135, die Transformator-Wicklungen 140A, 140B, den Gleichrichter 145 und die Lager 160A, 160B zeigt. Ebenfalls sind die Leiter 180 gezeigt, die mit der Primärwicklung 140A durch ein Loch, eine Kabeldurchführung oder eine andere Öffnung 110A vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, abgedichtet sind, im Rahmen 110 hindurch verbunden sind. Ebenfalls gezeigt sind Leiter 137 und 142. Aus Vereinfachungs- und Klarheitsgründen sind diese Leiter 137 und 142 als Teil der Welle 115 gezeigt. In der Praxis würden jedoch diese Leiter vorzugsweise direkt an der Welle 115 befestigt sein, um so die Zentrifugalkräfte auf diese Leiter zu minimieren. Sie können ebenfalls in einer Nut (nicht gezeigt) in der Welle platziert sein. Diese Nut würde so schmal wie möglich ausfallen, um eine minimale Auswirkung auf die Festigkeit und Integrität der Welle 115 zu haben. Falls gewünscht, könnten die Leiter 137 und 142 in einem Kanal in der Welle 115, wie beispielsweise in 3 gezeigt, platziert sein.
In der Ausführungsform von 2 ist jede der Transformator-Wicklungen 140A, 140B in Form einer Scheibe vorgesehen, die eine Breite, Länge, Tiefe, Drahtgröße und Wicklungsanzahl haben kann, die gut und geeignet für eine jeweilige Implementation sind. Die Primärwicklung 140A kann als eine „äußere“ Wicklung betrachtet werden, und die Sekundärwicklung 140B kann als eine „innere“ Wicklung betrachtet werden. Die Primärwicklung 140A hat einen inneren Radius 140A1 mit Bezug auf die Mittellinie 115A der Welle 115, und die Sekundärwicklung 140B hat einen äußeren Radius 140B1 mit Bezug auf die Mittellinie 115A der Welle 115. Der äußere Radius 140B1 ist kleiner als der innere Radius 140A1, so dass die Wicklung 140B in die Wicklung 140A passt und in deren Innerem liegt. Der Abstand zwischen den Wicklungen 140A, 140B ist klein genug, dass die Wicklungen 140A, 140B miteinander magnetisch gekoppelt sind. Vorzugsweise liegen die Wicklungen 140A und 140B im Wesentlichen in der gleichen Ebene 175. Die Wicklungen 140A und 140B müssen nicht exakt in der gleichen Ebene 175 sein, sondern können auch leicht versetzt voneinander sein. Die Wicklungen 140A und 140B werden betrachtet als im Wesentlichen in der gleichen Ebene, selbst wenn sie voneinander versetzt sind, falls die magnetische Kopplung zwischen ihnen ausreichend ist, um die entsprechende Leistung und Steuerung des Rotors 135 bereitzustellen. Die Wicklungen 140A und 140B sind in einem Behälter, wie beispielsweise 140A2 bzw. 140B2, um die Wicklungen zu schützen und die Wicklungen an Ort und Stelle zu halten. Die Behälter sind vorzugsweise aus einem Ferrit- oder einem anderen Material hergestellt, das dazu dient, einen geschlossenen Pfad für die Magnetkraftlinien aus den Wicklungen zu schaffen und die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen zu erhöhen. Die Welle 115 kann auch dazu dienen, den magnetischen Fluss zu konzentrieren und die Kopplung zu erhöhen, falls die Welle 115 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist oder ein solches enthält, insbesondere wenn der Behälter nicht aus einem Material gemacht ist, das die Kopplung erhöht.
Obgleich der Rahmen 110 als ein gestufter Rahmen dargestellt ist, bei dem ein Teil des Rahmens einen anderen Durchmesser als ein anderer Teil des Rahmens hat, ist dies nicht eine notwendige Voraussetzung; der Rahmen kann eine andere Form aufweisen, beispielsweise kann er den gleichen Radius über seine gesamte Länge aufweisen, wie in 3 gezeigt. Obgleich der Rahmen 110 als unsymmetrisch dargestellt ist, das heißt, dass ein Ende 110B offen und ein Ende 110C geschlossen ist, so dass die Welle 115 nur von einem Ende 110B des Rahmens sich erstrecken kann, ist dies keine Notwendigkeit. Das Ende 110C kann ebenfalls ein offenes Ende sein, so dass die Welle 115 sich sowohl aus dem Ende 110B als auch dem Ende 110C erstrecken kann. Obgleich der Erreger-Abschnitt 125 als am geschlossenen Ende 110B des Rahmens 110 vorgesehen dargestellt ist, könnte er stattdessen auch an dem offenen Ende 110B des Rahmens 110 sein.
3 ist ein Diagramm, das eine weitere exemplarische Ausführungsform der Synchronmaschine 110 darstellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Transformator-Wicklungen 140A, 140B nicht „innere“ und „äußere“ Wicklungen, sondern sind parallele oder zueinander gewandte Wicklungen, sind aber nicht in der gleichen Ebene. Vielmehr ist die Wicklung 140A in einer Ebene 175A und die Wicklung 140B in einer Ebene 175B, so dass sie einander zugewandt sind. Sie sind wiederum vorzugsweise in Form einer Scheibe vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform sind die Leiter 137 von der Sekundärwicklung 140B zu dem Gleichrichter 145 zumindest teilweise innerhalb eines Kanals oder eines hohlen Abschnitts 115B in der Welle 115 vorgesehen, so dass die Leiter 137 die Lager 160B nicht behindern.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Gleichrichter 145, falls gewünscht, außerhalb der Lager 160B positioniert sein, das heißt zwischen dem Lager 160B und dem Ende 110C. Bei der alternativen Ausführungsform können die Leiter 137 in dem Kanal 115B sein oder nicht, aber die Leiter 142 von dem Gleichrichter 145 zu der Rotorwicklung 135 würden zumindest teilweise innerhalb des Kanals 115B in der Welle 115 liegen, so dass die Leiter 142 die Lager 160B nicht behindern.
Obgleich der Gleichrichter 145 in 2 und 3 als separates Bauteil von der Sekundärwicklung 140B gezeigt ist, ist dies keine Notwendigkeit. Der Gleichrichter 145 könnte beispielsweise in oder innerhalb des Behälters 140B2 eingebettet sein.
Das Design des Kanals 115B kann auch bei der Ausführungsform von 2 eingesetzt werden, falls beispielsweise gewünscht ist, dass der Erreger-Abschnitt 125 zwischen dem Lager 160B und dem Ende 110C sein soll.
Die Ausführungsform von 2 ist zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Vorteilen auch in anderer Hinsicht vorteilhaft. Falls die Synchronmaschine 100 beispielsweise bei einem Schraubendreherantrieb benutzt wird, sind dann die Druck- und Zugkräfte auf die Welle 115 so, dass sie eine leichte Verschiebung der Welle 115 entlang ihrer Länge, das heißt in Richtung oder weg von einem Ende 110B oder 110C verursachen kann, wobei aber die Verschiebung nur geringe Auswirkungen auf die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen 140A und 140B hat.
Die Ausführungsform von 3 ist zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Vorteilen auch in anderer Hinsicht vorteilhaft: reduzierte Zentrifugalkräfte, die auf die Wicklungen 140A und 140B wirken. Da die Wicklungen 140A und 140B näher an der Achse 115A liegen, sind die auf die Wicklungen wirkenden Zentrifugalkräfte geringer als die Kräfte, die bei der Ausführungsform von 2 wirken. Diese Reduzierung der Zentrifugalkräfte kann bei einer Synchronmaschine 100 wesentlich sein, die mit einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben wird, wie das für einige kleiner bauende Synchronmaschinen der Fall sein könnte.
Somit reduziert die Verwendung eines Transformators 140 mit einzelner Erreger-Stufe anstelle der Benutzung von zwei separaten Erreger-Stufen-Transformatoren oder Erreger-konfigurierbaren Wicklungen das Gewicht von Kupfer und Eisen in der Maschine und reduziert die Anzahl von Schaltern und Kontakten, die erforderlich sind, wenn zwei Transformatoren verwendet werden. Ferner wird nur eine Erreger-Quelle, Steuerungseinheit 170, verwendet und nicht zwei oder mehrere Erreger-Quellen. Die einzelne Steuerungseinheit 170 steuert die Synchronmaschine 100 sowohl für den Motormodus als auch für den Generatormodus und vereinfacht das neue Steuerungsdesign und reduziert somit die Anzahl von Komponenten. Ein Hochfrequenz-Steuerungssignal anstelle von einem Niederfrequenz-Steuerungssignal liefert eine bessere Steuerung.
Ein Verfahren zum Betrieb der Synchronmaschine entweder als Synchronmotor oder als Synchronmotor umfasst (1) Anlegen einer ersten Wechselspannung an die Primärwicklung und Anlegen einer zweiten Wechselspannung an den Stator, um die Synchronmaschine als Synchronmotor zu betreiben, um ein Ausgangsdrehmoment bereitzustellen, oder (2) Anlegen einer ersten Wechselspannung an die Primärwicklung und Anlegen eines Eingangsdrehmoments an die Welle, um die Synchronmaschine als Synchrongenerator zu betreiben und eine Ausgangsspannung bereitzustellen. Zumindest eine Spannung, eine Frequenz oder ein Taktzyklus der ersten Wechselspannung wird eingestellt, um ein Ausgangsdrehmoment zu steuern, wenn die Synchronmaschine als Synchronmotor betrieben wird, oder eine Ausgangsspannung, wenn die Synchronmaschine als Synchrongenerator betrieben wird.
„Etwa“, „ungefähr“, „im Wesentlichen“ und ähnliche Begriffe, die hier verwendet werden, sind relative Begriffe und zeigen an, dass obgleich zwei Werte nicht identisch sein können, ihr Unterschied, dass die Vorrichtung oder das Verfahren immer derart noch die angezeigten und gewünschten Resultate liefert, oder dass der Betrieb einer Vorrichtung oder Verfahrens nicht negativ beeinflusst wird, wo der angedachte Zweck nicht mehr erfüllt werden kann.
Der hier beschriebene Anmeldungsgegenstand wird rein beispielhaft zu Erläuterungszwecken bereitgestellt und ist nicht beschränkend oder eingrenzend zu verstehen. Kombinationen und Alternativen zu den dargestellten Ausführungsformen sind denkbar, hier beschrieben und in den Ansprüchen ausgeführt. Verschiedene Modifikationen und Änderungen können an dem hier beschriebenen Gegenstand vorgenommen werden, ohne strikt den Ausführungsformen und dargestellten Anwendungen zu folgen und ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.
Der hier beschriebene Gegenstand ist rein darstellender Natur und kann nicht beschränkend ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Änderungen können an dem Gegenstand, wie er hier beschrieben ist, vorgenommen werden, ohne den beispielhaften Ausführungsformen und Anwendungen, wie sie dargestellt und hier beschrieben sind, zu folgen. Obgleich der hier dargestellte Gegenstand mit spezifischen Komponenten, Merkmalen und Abläufen beschrieben ist, versteht sich, dass die angehängten Ansprüche nicht notwendigerweise auf die spezifischen Komponenten, Merkmale oder Abläufe beschränkt sind. Vielmehr sind die spezifischen Komponenten, Merkmale und Abläufe als beispielhafte Ausgestaltungen zur Umsetzung der Ansprüche offenbart.

Claims

Synchronmaschine (100) mit: einem Rahmen (110); einer Welle (115), die sich von zumindest einem Ende des Rahmens erstreckt; einem Haupt-Abschnitt (120) mit: einer stationären Wicklung (130), die an dem Rahmen angebracht ist, und einer drehenden Wicklung (135), die an der Welle angebracht ist und beabstandet von und magnetisch gekoppelt mit der stationären Wicklung ist; und einem Erreger-Abschnitt (125) mit: einem Transformator (140) mit einer Primärwicklung (140A) und einer Sekundärwicklung (140B), die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei jede Wicklung scheibenförmig ist, wobei die Sekundärwicklung einen äußeren Radius hat und an der Welle befestigt ist, die Primärwicklung einen inneren Radius hat und an dem Rahmen befestigt ist, wobei der äußere Radius kleiner ist als der innere Radius, wobei die Sekundärwicklung innerhalb der Primärwicklung positioniert ist; einem Gleichrichter (145), der an der Welle befestigt ist, um ein Ausgangssignal der Sekundärwicklung gleichzurichten und ein gleichgerichtetes Ausgangssignal an die drehende Wicklung zu liefern; einer Vielzahl von elektrischen Leitern (134, 142), um den Ausgang der Sekundärwicklung mit dem Gleichrichter zu verbinden und um das gleichgerichtete Ausgangssignal des Gleichrichters zu der drehenden Wicklung zu führen; und einer Steuerungseinheit (170), um ein Steuerungssignal der Primärwicklung steuerbar bereitzustellen, wobei die Steuerungseinheit (170) zumindest eine Frequenz des Steuerungssignals variiert, wobei die Synchronmaschine als ein Synchrongenerator arbeitet und eine Ausgangsspannung mit einer Ausgangsfrequenz bereitstellt, wenn ein Eingangsdrehmoment auf die Welle aufgebracht wird, oder als Synchronmotor arbeitet, wenn eine Eingangsspannung mit einer Eingangsfrequenz der stationären Wicklung zugeführt wird, und wobei die Steuerungseinheit (170) bewirkt, dass das Steuerungssignal eine Frequenz besitzt, die zumindest zehnmal höher ist als die Ausgangsfrequenz der Ausgangsspannung oder als die Eingangsfrequenz der Eingangsspannung.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit des Weiteren zumindest ein Tastverhältnis oder eine Ausgangsspannung des Steuerungssignals variiert.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die stationäre Wicklung eine Feld-Wicklung ist und die drehende Wicklung einer Anker-Wicklung ist.
Verfahren zur Herstellung einer Synchronmaschine, die entweder als Synchronmotor oder als Synchrongenerator betreibbar ist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Rahmens (110); Befestigen einer stationären Wicklung (130) an dem Rahmen; Bereitstellen einer Welle (115), die sich von zumindest einem Ende des Rahmens erstreckt; Befestigen einer drehenden Wicklung (135) an der Welle, wobei die drehende Wicklung beabstandet von und magnetisch gekoppelt mit der stationären Wicklung ist; Befestigen einer Primärwicklung (140A) eines Transformators an dem Rahmen; Befestigen einer Sekundärwicklung (140B) des Transformators auf der Welle, wobei die Sekundärwicklung beabstandet von und magnetisch gekoppelt mit der Primärwicklung ist; Befestigen eines Gleichrichters (145) an der Welle, Verbinden eines Eingangs des Gleichrichters mit der Sekundärwicklung, und Verbinden eines Ausgangs des Gleichrichters mit der drehenden Wicklung; und Bereitstellen einer Steuerungseinheit (170), um ein Steuerungssignal der Primärwicklung steuerbar bereitzustellen, wobei die Steuerungseinheit (170) zumindest eine Frequenz des Steuerungssignals variiert; wobei die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils scheibenförmig sind, wobei die Scheibe der Primärwicklung eine erste Ebene definiert, die Sekundärwicklung an einem Ende der Welle befestigt ist, die Scheibe der Sekundärwicklung eine zweite Ebene definiert, die erste Ebene und die zweite Ebene parallel aber unterschiedlich sind und die Welle die erste Ebene nicht durchdringt, wobei die Synchronmaschine als ein Synchrongenerator arbeitet und eine Ausgangsspannung mit einer Ausgangsfrequenz bereitstellt, wenn ein Eingangsdrehmoment auf die Welle aufgebracht wird, oder als Synchronmotor arbeitet, wenn eine Eingangsspannung mit einer Eingangsfrequenz der stationären Wicklung zugeführt wird, und wobei die Steuerungseinheit (170) bewirkt, dass das Steuerungssignal eine Frequenz besitzt, die zumindest zehnmal höher ist als die Ausgangsfrequenz der Ausgangsspannung oder als die Eingangsfrequenz der Eingangsspannung.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Welle einen Kanal hat und die Sekundärwicklung mit dem Gleichrichter verbunden ist, indem Leiter in dem Kanal platziert sind.