DE2413179A1

DE2413179A1 - Multiphasen-generator

Info

Publication number: DE2413179A1
Application number: DE2413179A
Authority: DE
Inventors: Knut Assar Nordebo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-19
Filing date: 1974-03-19
Publication date: 1974-09-26
Also published as: IT1009322B; SE381538B; FR2222781A1; NL7403427A; GB1468883A; JPS5069504A; US4038575A

Description

Datum 19. März 1974
Multiphasen-Generator

Die Erfindung betrifft einen ifiiltiphasen-Generator ohne
Schleifringe und Schleifbürsten. Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufbau, der von Einphasen-Generatoren bekannt ist, in denen der Rotor keine Wicklungen besitzt und wie die
Statorpole aus geschichtetem Dynamoblechmetall hergestellt ist, und in dem die Erregerwicklung und die Wechselstromwicklung beide im Stator vorgesehen sowie gegenseitig um
die Hälfte einer Statorpolteilung bzw. eines Statorpolschrittes versetzt sind.

Zum Erzeugen eines Wechselstromes niedriger Frequenz wurden während einer langen Zeit fast ausschließlich Generatoren
verwendet, bei denen die Wechselstromwicklung im Stator und die Erregerwicklung im Rotor vorgesehen war, wobei die Erregerwicklung über Schleifbürsten und Schleifringe versorgt wurde. Verschiedene Ausführungsformen von Wechselstromgene-

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ratoren ohne Bürsten sind ebenfalls seit langer Zeit bekannt. Trotz ihrer unbestreitbaren Vorteile war es aufgrund ihres großen Gewichts pro Leistungseinheit nicht wirtschaftlich, sie herzustellen. In verschiedenen Anwendungsfällen war auch der große Raumbedarf von ausschlaggebender Bedeutung.

Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 der Zeichnung der Stand der Technik in näheren Einzelheiten erläutert. In Fig. 1 sind in deren Figuren la und Ib zwei unterschiedliche Generatoren dargestellt, die seit Beginn des Jahrhunderts bekannt sind, während in Fig. Ic ein Generator gemäß der schwedischen Patentschrift 227 412 (britische Patentschrift 1 226 427|) gezeigt ist. Die Maschinen, die alle drei einen sogenannten Einphasen-Aufbau besitzen, mögen, wovon hier ausgegangen wird, gleichen Rotordurchmesser, gleiche Rotorpolzahl', gleiche Umdrehungszahl und infolgedessen die gleiche Frequenz besitzen. Die Flußänderung, welche die Wechselstromwicklung an einer Positionsänderung eines Rotorpols mit der Polbreite d betätigt, ist dann ein Maß der Energieänderung pro Zeiteinheit. Dieser Vergleich zeigt, daß der Generator gemäß Fig. Ic den doppelten Leistungsausgang in Bezug zu den beiden anderen Generatoren (Fig. la und Ib) gibt. Wenn die Polzahl der Erregerwicklung im Generator gemäß der Fig. Ic gleich derjenigen der Wechselstromwicklung ist, können die Stator- und Rotorrückseiten beträchtlich niedriger als in den beiden anderen bekannten Maschinenarten gemacht werden, was zu einer wesentlichen Herabsetzung des Gewichts für die vorerwähnte Ausführungsform führt. Der

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Einphasen-Generator gemäß der Fig. ic gibt dann einen Leistungsausgang pro Gewichtseinheit, welcher von der gleichen Größe ist wie bei einem Einphasen-Schleifring-Generator.

Um die Erfindung näher zu erläutern, soll zunächst eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung des Prinzips des bekannten Generators gemäß Fig. Ic gegeben werden. Es wird auf Fig. 2 beeuggenommen, in deren fünf Teilfiguren die Flußkurven ψ und die Spannungskurven u für vier gleich große Änderungen der Position des Rotors, d. h. a-b, b-c, c-d und d-e, von denen jede 90 Grad (elektrisch) umfaßt, relativ zum Stator gezeigt sind. Der Einfluß der Axialöffnung der Statorschlitze ist hierbei nicht berücksichtigt. Die Breite der Rotorpole umfaßt bzw. ist angenähert gleich der Hälfte einer Polteilung bzw. eines

mit

Polschrittes. Der Rotor ist mit I₁ der Stator/2, die Erregerwicklung mit 3 und die Wechselstromwicklung mit 4 teieiehnet, wobei diese Wicklungen gegenseitig um die Hafte einer Statorpolteilung bzw. eines Stetapolschrittes versetzt ^si _b ¹ _e ¹ ₂ ^# _eP_c^_ie ³^atorpolteilung bzw. der Statorpolschritt ist mit t^/. Für das Verständnis der nachfolgenden Beschreibung ist es wichtig, zu beachten, daß man eine Periode zwischen dem Durchgang jedes Rotorpoles bezüglich einer willkürlichen Wicklung erhält, und weiterhin, daß die Positionen a und c oder c und e, die je eine Positionsänderung einer halben Polteilung bzw. eines halben Polschrittes umfassen, Spannungsimpulse geben, welche gleiche absolute Größen besitzen und um 180 Grad (elektrisch) in der Phase versetzt sind.

Relativ zu einem Einphasen-Schleifring-Generator besitzt ein Dreiphasen-Generator eine höhere Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit und ergibt einen höheren mittleren Zeitwert des doppelweggleichgerichteten Stroms, wenn er beispielsweise als Ladegenerator für Motorfahrzeuge benutzt wird. Ein Einphasen-Generator ohne Schleifringe und Schleifbürsten gemäß Fig. Ic kam nicht ganz einfach in der gleichen Weise wie ein Schleifring Generator in einen Dreiphasen-Generator umgeändert werden, indem man zwei Wicklungen einführt, die gegenseitig um zwei Dritte einer Polteilung bzw. eines Polschrittes versetzt sind, und zwar relativ zur Polzahl des Stators, und die Wicklungen müssen in einer speziellen Weise miteinander verbunden werden.

Die Schwierigkeit, einen Dreiphasen-Generator zu erhalten, wird gemäß der Erfindung in der folgenden l/eise gelöst:

Ein Multrphasen-Generator besitzt eine gerade Anzahl von Statorpolen m i ρ und eine ungerade Anzahl von Rotorpolen m(p + l), wobei m ein Faktor 1, 2, 3 ... und ρ eine gerade Zahl 2, 4, 6... bedeuten, wodurch Vechselstromwicklungen, die in der Phase um 180 Grad (elektrisch) versetzt sind, gleichzeitig ein Spannungsmaximum erreichen und so verbindbar sind, daß sie eine Phase bilden; und die Maschine besitzt eine Phasenanzahl q β p/2, was beispielsweise für einen Sechs-Pol-Generator die Phasenanzahl 3 und Rotorpolanzahl 7 ergibt.

Die Erfindung wird nunmehr in näheren Einzelheiten unter Bezug-

nähme auf die Zeichnung erläutert, welche zusätzlich zu den Fig. 1 und 2, die bereits erwähnt wurden und beide den Stand der Technik betreffen, in den Fig. 3 und 5 zwei Ausführungsformen der Erfindung und in Fig. 4 ein Drei-Phasen-Spannungs-Diagramm zeigt. In Fig. 6 sind vergleichsweise LadungsCharakteristiken für den bekannten Generator gemäß Fig. Ic und für zwei bekannte Dreiphasen-Generatoren sowie für einen Generator gemäß der Erfindung dargestellt. Schließlich ist in Fig. 7 ein Ausführungsbeispxel der Erfindung gezeigt, in welchem die Rotorpolanzahl ρ - 1 beträgt.

In Fig. 3 ist der Rotor wiederum mit 1 bezeichnet, und er besitzt sieben Pole, von denen zwei mit 5 und G bezeichnet sind. Der Itotor ist an einer Welle 7 angebracht. Im Kotor sind zum Zwecke der Herabsetzung des liotorgewichts Ausnehmungen 14 vorgesehen. Der Stator 2 besitzt sechs Pole, von denen zwei mit 8 und 9 bezeichnet sind, wobei jeder dieser Pole mit einem mittig vorgesehenen Wicklungsschlitz 10, 11 versehen ist. Auf jedem Statorpol befindet sich eine Erregerwicklung 3, von denen abwechselnd Nord- und Südpole erzeugt werden. Diametral entgegengesetzte Hälften jeder Phase einer Dreiphasen-Wechselstromwicklung sind mit 4 bezeichnet. Diese Wicklungen sind in den Schlitzen 10 bis 13 in den Statorpolen angeordnet. Der Beginn jeder Phasenwicklung ist jeweils mit B₁, B₂, B₃ und das Ende jeweils mit S₁, S₂, S₃ bezeichnet. In Fig. 3 nimmt der Rotor diejenige Position ein, die eine maximale Phasenspannung e_lmax in der Phasenwicklung B₁-S₁ ergibt.

Fig. 4 zeigt die drei Fhasenspannungen, wie sie als Funktion der Zeit erhalten werden, und es ist erkennbar, daß sie gegenseitig um 120 Grad (elektrisch) versetzt sind. Im allgemeinen wird ein Vier-Pol-Stator mit einem Fünf-PoI-Rotor ein Zwei-Phasen-Generator, während ein Sechs-Pol-Stator mit einem Sieben-Pol-Rotor ein Drei-Phasen-Generator wird, und allgemein ist die Phasenanzahl q « p/2. Das Prinzip der Erfindung gilt jedoch auch dann, wenn eine ungerade Anzahl von Rotorpolen m(p - l) zusammen mit m*p Statorpolen benutzt wird. Infolgedessen erhält man, wenn der Sieben-Pol-Rotor des Drei-Phasen-Generators gemäß der Fig. 3 durch einen Fünf-Pol-Rotor (die Rotor-Pol-Anzahl ρ - 1 für ρ « 6) ersetzt wird, noch einen Drei-Phasen-Generator, jedoch ist der aktive Gesamtfluß kleiner und der Weg des Flusses im Rotor ist langer. Diese beiden Nachteile jedoch nehmen für eine höhere Polzahl, beispielsweise ρ = 12 und die Rotorpolzahl ρ - 1 β 11, ab. Für Generatoren mit der Rotor-Pol-Zahl ρ - 1 ist die Phasenanzahl q n^och gleich p/2 und die Maschinenfrequenz f » (ρ - 1) n*/60 Hz.

In Fig. 5 ist ein Zwölf-Pol-Stator mit einem Dreizehn-Pol-Rotor schematisch dargestellt, so daß infolgedessen"ein Sechs-Phasen-Generator erzielt wird. Jedoch kann dieser in einer einfachen V/eise so geschaltet werden, daß man einem Drei-Phasen-Generator erhält, wenn für jede Phase zwei benachbarte Wechselstromwidchingen (in einem Abstand von einer Polteilung bzw. einem Polschritt angeordnet) in Reihe mit zwei diametral entgegengesetzten Wicklui gen in Reihe geschaltet verbunden werden. Die schematische Dar-

Stellung der Fig. 5 kann als Veranschaulichung der Flächen- bzw.-Blechschnitte eines Generators angesehen werden, wobei eine der drei Phasenwicklungen dargestellt ist und jeweils die Anfänge B₁, B₂, Β, und die Enden S₁, S₂, S₃ der drei Phasenwicklungen angedeutet sind.

Der Generator kann auch mit einem ganzzahligen vielfachen m der Statorpolzahl ρ und der Rotorpolzahl ρ + 1 (bzw. ρ - l) aufgebaut virerden. Beispielsweise kann ρ gleich 6 und m gleich 2 sein, was die Statorpolanzahl 12 und die Rotorpolanzahl 14 ergibt. Jede Hälfte des Umfanges des Stators wird dann durch je eine der beiden gleichen Sechs-Pol-Drei-Phasen-Wicklungen eingenommen wobei die Phasenwicklungen davon in Reihe geschähet werden könne damit man die zweifache Spannung erhält, oder wobei die Phasenwicklungen davon parallel geschaltet werden können, damit man den zweifachen Strom erhält. Ein derartiger Mehrfachgenerator besitzt die halbe Umdrehungszahl für eine bestimmte Frequenz verglichen mit dem Sechs-Pol-Generator gemäß der Fig. 3.

Die Erzeugung einer Multi-Phasen-Spannung, beispielsweise einer Drei-Phasen-Spannung der Sechs-Pol-Maschine mit einem Sieben-Pol-Rotor (siehe Fig. 3), welcher drei Phasenanschlüsse B₁, 3 B, besitzt", was zu einer Sternschaltung führt, wenn die Wicklungsenden S₁, S₂ und S₃ in einem neutralen Punkt verbunden sind, kann in der folgenden Weise beschrieben werden: Für jeden Rotorpol, der eine willkürliche Wechselstromwicklung'pässiert, erhält man eine Periode, die 360 Grad (elektrisch) entspricht.

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Ein Pol mehr im Rotor als im Stator bedeutet Ifechs Rotor-Pol-Versetzungen relativ zum Sechs-Pol-Stator. Die induzierte Spannung ist dann für jede Statorpolteilung bzw. jeden Statorpolschritt um 360/6 « 60 Grad (elektrisch) in der Größe oder dem absoluten Wert versetzt, was aufgrund der alternierenden Polarität jeder Statorpolwicklung bedeutet, daß eine Phasenverschiebung von 180 - 60 » 120 Grad (elektrisch) zwischen zwei benachbarten Anschlüssen, beispielsweise B₁ und B₂, vorliegt.

Die sich ergebene Spannung, die in einer Phasenwicklung auftritt, kann in der folgenden Weise erklärt werden: In den beider in Reihe geschalteten Spulen der einen Phase, beispielsweise B₁ - S₁, tritt gleichzeitig ein Spannungsmaximum auf, wenn jedoch zwei Rotorpole die Seiten einer beliebigen Spule passieren, erscheint die Spannung in der entgegengesetzten in Reihe geschalteten Spule um 30 Grad (elektrisch) nach der einen Spulenseite und um 30 Grad (elektrisch) vor der anderen Spulen^seite, was bedeutet, daß die Spannungen der Spulenseiten, die um 60 Grad (elektrisch) gegeneinander versetzt sind, eine resultierende haben, welche in Phase mit der Spannung der entgegengesetzten Spule ist.

Die Phasenspannung, die auf diese Weise aus drei um 30 Grad (elektrisch) versetzten Teilspannungen besteht, hat dann im Unterschied zu dem rechteckförmigen Verlauf der Fig. 2 eine Form, welche der sinusförmigen Gestalt angenähert ist, so daß

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für sich in der Praxis, wie bereits herausgestellt worden ist,/eine Sternverbindung der Phasen eine nahezu sinusförmige Spannung zwischencfen Phasen ergibt.

In Fig. 6 sind die LadungsCharakteristiken für einen Drei-Phasen-Generator gemäß der Erfindung sowie für drei andere be .-kannte Generatoren veranschaulicht. Die Ordinate betrifft die

die
Stromintensität A in Ampere und/Abszisse die Umdrehungen pro Minute. Die Kurve 1 bezieht sich auf den Drei-Phasen-Generator gemäß der Erfindung, dessen Gesamtgewicht 5,7 kg betrug. Es wurde gefunden, daß dieser Generator eine hohe Stromintensität bereits für eine niedrige Umdrehungszahl erreicht, wobei sich eine Abflachung zu einem hohen Sättigungswert hin ergibt. Die Kurve 2 zeigt die Leistungsfähigkeit eines käuflichen Drei-Phasen-, bürstenlosen Genrators, der ein Gewicht von 8, 2 kg besitzt. Die Kurve 3 bezieht sich auf einen Einphasen-, btirstenlosen Geivator gemäß der Fig. Ic, der ein Gesamtgewicht von 5,7 kg hat. Schließlich bezieht sich die Kurve 4 auf einen käuflichen Schleifringgenerator mit drei Phasen, der ein Gesamtgewicht von 4,0 kg aufweist. Alle diese Generatoren haben die Nennspannung 12 Volt.

Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß der Generator gemäß der Erfindung eine wesentlich bessere Leistungsfähigkeit als alle die bisher bekannten Generatoren besitzt.

Fig. 7 zeigt einen Generator mit ρ = 6 und der Rotorpolzahl

ρ - 1 - 5. Dieser Generator kann als Abwandlung des G*»*rator« geaäA der Fig· 3 angesehen werden, und dessen konstruktive Beschreibung ist im wesentlichen auch auf den Generator geaäß' der Fig. 7 anwendbar. Die Nachteile des letzteren Generator· wurden oben erläutert und für einen relativ niedrigen tfert von ρ ist es infolgedessen vorteilhafter, den Rotor mit der Kotorpolzahl ρ + 1 vorzusehen, jedoch können auch für hohe Werte von ρ annehmbare Ergebnisse mit der Rotor-Polzahl ρ - 1 erzielt werden.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung einen Mehrphasen-Generator ohne Schleifringe und Schleifbürsten, dt».keine Wicklungen im Rotor besitzt, sondern dessen Erregungswicklung und dessen Wechselstromwicklung mit einer gegenseitigen Versetzung von der Hälfte einer Statorpolteilung bzw. eines Statorpolschrittes im Stator vorgesehen sind. Der Generator besitzt eine gerade Anzahl von Statorpolen und eine ungerade Anzahl von Rotorpolen·

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Claims

Patenten s ρ r ti c h e

1. ) Multiphasen-Generator ohne Schleifringe und Schleifbürsten, in welchem der Rotor in der für Einphasen-Generatoren bekannten Weise keine Wicklung aufweist und gleich den Statorpolen aus geschichteten pynamometallblechen hergestellt ist, und in welchem die Erregerwicklung und die Wechselstromwicklung beide im Stator angeordnet und gegenseitig um die Hälfte einer Statorpolteilung bzw. eines Statorpolschrittes versetzt sind,

gekennzeichnet durch eine gerade Anzahl von Statorpolen m*p und eine ungerade Anzahl von Rotorpolen m"(p + l), wobei m ein Faktor 1, 2, 3 ... und ρ eine gerade Zahl 2, 4, 6 ... bedeuten, so daß Wechselstromwicklungen, die in Phase 180 Grad (elektrisch) versetzt sind, gleichzeitig das Spannungsmaximum erlangen und so schaltbar sind, daß sie eine Phase bilden und die Maschine eine Phasenanzahl q ■ p/2 besitzt, einschließlich beispielsweise für einen Sechs-Pol-

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ORIGINAL INSPECTED

Generator die Phasenzahl 3 und die Rotorpolzahl 7.

2. Multiphasen-Generator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-

daß die Rotorpolzahl m"(p - 1) beträgt und daß die Phasenanzahl q m p/2 aufrechterhalten bleibt, umfassend beispielsweise für einen Sechs-Pol-Generator die Phasenanzahl 3 und die Rotorpolzahl 5.

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