DE1803988C3 - Elektrischer Generator mittlerer Frequenz der Bauart Guy - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Generator mittlerer Frequenz der Bauart Guy mit einem mit Wicklungen versehenen gezahnten Stator und einem wicklungslosen, ebenfalls gezahnten Rotor.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist an Hand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Gegenüberstellung bekannter Merkmale von Genera- 4ⁿ toren der Bauart Guy und erfindungsgemäßer Merkmale näher erläutert. Es zeigen

Fig.l bis 3 Charakteristiken von Kennlinien elektrischer Generatoren der Type Guy;

F i g. 4 einen Schnitt durch einen bekannten Generator;

Fig.5 einen Ausschnitt in Vergrößerung an der Stelle der Ankerwicklung;

Fig.6 einen Ausschnitt in Vergrößerung der bekannten Zahnform; v>

F i g. 7 das elektrische Schaltschema;

Fig.8 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Zahnform;

F i g. 9 einen Ausschnitt an der Stelle der Ankerwicklung, π

Die Kennlinien von elektrischen Generatoren der Type Guy oder ähnlicher Ausführung, d. h. die Klemmenspannung Vb bei Leerlauf als Funktion des Erregerstromes /«(Fig. 1), der Kurzschlußstrom Λ als Funktion des Erregerstromes ic, (Fig.2) und die do Wirkleistung P als Funktion des Erregerstromes ic (Fig.3) weisen ein Maximum auf. Eine Erhöhung des Erregerstromes über dieses Maximum ist wertlos. Anstatt einer Erhöhung der abgegebenen Leistung ergibt sich dann eine Verminderung derselben. fts

Die Bauart dieser Generatoren ist in F i g. 4 dargestellt. Sowohl der Stator 1 als auch der Rotor 2 bestehen aus dünnem magnetischem Blech, versehen mit Nuten. Der Rotor ohne jegliche Wicklung hat am Rande gleichmäßig verteilte Nuten, getrennt durch die Zähne 3. Die Zahl Zdieser Zähne ist von der Frequenz f der erzeugten Ströme nach der Gleichung Σ = f/_n bestimmt, wobei η die Tourenzahl pro Sekunde darstellt Der Stator enthält sowohl die Erregerwicklung 4, welche in großen Nuten 5 eingelegt ist, als auch die Ankerwicklung 6, die in kleinere Nuten 7 (die zwischen den Nuten 5 liegen) eingelegt ist. Außer dieser verhältnismäßig kleinen Anzahl von Nuten ist der Stator mit einer großen Anzahl kleiner Nuten versehen, die durch Zähne 3, welche ein annähernd gleiches Profil mit denen des Rotors aufweisen, getrennt sind.

Die Zähne 3 befinden sich auf dem ganzen Kreissektor zwischen den Erregernuten 5 und den Ankernuten 7. Ihre Verteilung ist derart, daß in dem Augenblick, in dem in einem Sektor die Zähne des Stators sich gegenüber den Zähnen des Rotors befinden, sich in den benachbarten Sektoren die Statorzähne gegenüber den Rotornuten befinden. Gemäß Fig.5 befindet sich hierbei die Ankerwicklung 6 in einem verhältnismäßig großen Abstand vom Luftspalt, oberhalb des Nutverschlußkeiles 8. Gemäß F i g. 6 ist dabei das Verhältnis zwischen Zahnbreite d und der Zahnteilung/gleich 0,4.
Diese Generatoren haben folgende Nachteile:
kleiner Wirkungsgrad und Leistungsfaktor,
kleine spezifische Leistung,

die Leistungsspitze Pnax ( F i g. 3), mit welcher die Maschine belastbar ist, hat eine verhältnismäßig geringe Größe. Um die Maschine höher belasten zu können, muß die Belastungsimpedanz nicht nur durch im Nebenschluß an die Belastungsklemmen geschaltete Kondensatoren ausgeglichen werden, sondern auch durch in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltete Kondensatoren gemäß dem in Fig.7 dargestellten elektrischen Schema. Hierin ist mit 9 der Generator mit der Erregerwicklung 4 und der Ankerwicklung 6 bezeichnet, wobei die Belastungsimpedanz 10 durch den Kondensator 11 kompensiert wird und wobei 12 den Kondensator in Reihenschaltung mit der Ankerwicklung darstellt.

Weil aus der Art der Belastungen (thermische Behandlungen, Schmelzvorgänge, usw.) des öfteren Kurzschlüsse entstehen, arbeitet der Generator in solchen Fällen nur mit Hilfe des Reihenkondensators, woraus sich Überspannungen sowohl für die Maschine selbst als auch für den Kondensator ergeben, was die Funktionssicherheit beträchtlich vermindert.

Die oben angeführten Nachteile sind um so größer, je größer die Frequenz ist, für welche der Generator gebaut wurde (8000 bis 10 000 Hz).

Einige konstruktive Maßnahmen mit dem Ziel, diese Nachteile auszuschalten, sind bekannt. Durch die deutsche Patentanmeldung B 20 677 ist es bei dieser Art von Generatoren bekanntgeworden, eine Leistungssteigerung dadurch zu erzielen, daß man mindestens einen der Verhältniswerte von Zahnbreite zur Nutteilung im Läufer oder im Ständer etwa zwischen 0,3 und 0,4 legt.

Durch die DT-AS 11 75 786 ist es bekanntgeworden, bei Hochfrequenz-Generatoren die Eisenverluste durch eine besondere Zahnform zu verringern, indem man die Zahnform so gestaltet, daß die Stator- und/oder Läuferzähne — vom Luftspalt ausgehend — eine relativ geringe Strecke gleichmäßiger Breite aufweisen, an die sich eine Strecke rasch zunehmender Breite anschließt, worauf eine Strecke langsamer zunehmender Breite

folgt.

Bei Untersuchungen über die Rolle der Streureaktanz des Ankers wurde gefunden, daß eine wesentliche Erhöhung der spezifischen Wirkle.stung, des Leistungsfaktors, des Wirkungsgrades und auch der Betriebssicherheit möglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei Generatoren dieser Bauart die Leistung zu erhöhen.

Dieses gelingt durch die Erkenntnis des Erfinders, ι ο wonach man die Leistungen der Maschine bedeutend durch den Skin-Effekt beeinflussen kann. Dieses kann durch eine besondere Zahnform geschehen.

Die Erfindung besteht darin, daß das Profil der Zähne des Rotors und/oder des Stators bei einer reihenkondensatorlosen Schaltung der Stabwicklung anschließend an einen Abschnitt konstanter Breite, der die Höhe von 0,3 bis lmal dieser Breite hat, einen Abschnitt sich rasch vergrößernder Breite aufweist. Hierdurch wird eine erhebliche Leistungssteigerung möglich.

Die Konstruktion von Generatoren wird auf Grund gegebener thermischer Möglichkeiten ausgelegt. Bei der Konstruktion von Generatoren ist die Fachwelt bisher immer davon ausgegangen, daß im Leerlauf die Nennspannung gewährleistet sein muß. Jedenfalls muß 2s im Leerlauf ein derartiger Generator mehr als die Nennspannung abgeben. Die VDE-Normen legen sogar fest, daß diese Spannung in keinem Fall gröber als l,5mal die Nennspannung sein darf. Die Erfindung löst sich von dieser traditionellen Lehre und erreicht hierdurch eine weitere Leistungssteigerung des Generators.

Dieses wird dadurch erreicht, daß die Anzahl der Ankerwicklungen kleiner als diejenige Anzahl gewählt ist, die notwendig ist, um den Generator im Leerlauf die ^ Nennspannung abgeben zu lassen.

Zweckmäßig ist es, wenn das Verhältnis der Breite des dem Spalt zugekehrten Teiles der Zähne zur Zahnteilung zwischen 0,25 und 0,3 liegt.

Weitere Leistungssteigerungen lassen sich dadurch erreichen, daß die an einer Wicklungsnute anliegenden Zähne unsymmetrisch gestaltet sind und einen schmalen Teil von keilförmiger Form zum Abstützen der Ankerwicklungen bilden und daß der Abstand der Wicklung kleiner als die Höhe der Zähne ist.

F i g. 8 zeigt die Verwirklichung eines erfindungsgemäß konstruierten 100-kW-Generators mit einer synchronen Frequenz von 8000 Hz, aus der man die konstruktiven Einzelheiten der Zähne 3 entnehmen kann. Aus Fig.9 sind die konstruktiven Einzelheiten der Ankernut 7 zu entnehmen.

Aus der Rechnung ergeben sich 5,5 Windungen für die Ankerwicklung, um die Spannung Vo max zu erhalten. Man darf nicht 6 Windungen für die Betriebsspannung annehmen, wie dies gewöhnlich gemacht wird, sondern es werden nur 5 Windungen angenommen mit dem Risiko, im Leerlauf eine kleinere Spannung zu erhalten.

Das Zahnprofil 3 hat in F i g. 8 eine konstante Breite c/auf einer verhältnismäßig kleinen Höhe Λ, gleich (0,3-1) c/(bei 8000 Hz sollte 0,6 angenommen werden), gefolgt von einer schnell wachsenden Breite. Gleichzeitig mit der Zunahme dieses Profils wird auch das Verhältnis zwischen der Zahnbreite c/und der Zahnteilung mit 0,25 bis 0,4 angenommen. Bei 8000 Hz ist dieses Verhältnis zwischen 0,3 und 0,35 zu wählen.

Die Ankerwicklung 6 ist vom Luftspalt nur durch den schmalen Keil 8 (Fig.9) getrennt. Die Zähne 3 ( F i g. 9) in der Nähe der Ankernut behalten nicht mehr ihre optimale Form und auch nicht ihr optimales Verhältnis dlt\ man muß allerdings die Reduktion der Spannung Vo max in Kauf nehmen.

Die oben angeführten konstruktiven Maßnahmen müssen um so schärfer angewendet werden, je höher die Generatorfrequenz ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Generator mittlerer Frequenz der Bauart Guy mit einem mit Wicklungen versehenen gezahnten Stator und einem wicklungslosen, ebenfalls gezahnten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Zähne des Rotors und/oder des Stators bei einer reihenkcndensatorlosen Schaltung der Statorwickiung anschließend an einen Abschnitt konstanter Breite (dX der die Höhe (h) von 0,3 bis lmal dieser Breite (d) hat, einen Abschnitt sich rasch vergrößernder Breite aufweist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Ankerwicklungen kleiner als diejenige Anzahl gewählt ist, die notwendig ist, um den Generator im Leerlauf die Nennspannung abgeben zu lassen.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite (d) des dem Spalt zugekehrten Teiles der Zähne zur Zahnteilung ft> zwischen 0,25 und 0,3 liegt.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer Wicklungsnute anliegenden Zähne unsymmetrisch gestaltet sind und einen schmalen Teil von keilförmiger Form zum Abstützen der Ankerwicklung bilden.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wicklung kleiner als die Höhe der Zähne ist.