DE2917030C3

DE2917030C3 - Schwebungsspannungsgenerator zur Erzeugung von mehrphasigen Interferenzspannungssystemen

Info

Publication number: DE2917030C3
Application number: DE2917030A
Authority: DE
Inventors: Gerard Ville D'avray O'mahony
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-26
Publication date: 1981-10-29
Also published as: DE2917030A1; GB2022325A; GB2022325B; FR2424661A1; SE7903702L; US4260944A; DE2917030B2; FR2424661B1

Description

renz gleich der Pulsation ε ist

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrotoren (21, 22) über ein mechanisches Differentialgetriebe (4) angetrieben sind, das selbst seinen Antrieb an einem gemeinsamen Eingangswellenzapfen (40) erfährt.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens eine zur Rotorachse konzentrische Hilfserregerspule (5, 6) vorgesehen ist, die eine Steuerung des die beiden Anker (11, 12) durchsetzei.den wirksamen Flusses ^ermöglicht

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer ein zwischen den beiden Ankern (11, 12) sitzendes Mittelteil (103) aufweist, das den Halbrotoren (21, 22) im Bereich ihres Trennungsspaltes (225) gegenübersteht.

Die Erfindung betrifft einen Generator für Schwebungsspannungen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Interferenz zwischen zwei Sinusspannungen mit den Frequenzen f\, h oder den Kreisfrequenzen ωι, ωι und den unterschiedlichen Amplituden Uu Ui ist ein bekanntes Phänomen, das in der Nachrichtenübertragungstechnik, bei Synchroskopen, Sendern usw. angewendet wird. Dieses Phänomen läßt sich durch folgende Gleichung erfassen:

[/(£) = IZ₁ sin W₁1 + U₂sin i'i₂i = 2U₀cos(ft)sin(«d) + 2esin(_f t)cos(mi)

= at -f-

■ U₁ = U₀ + e U₂ = U₀-e

wobei ω die mittlere Kreisfrequenz und U_n der Spannungsmittelwert der zusammengesetzten Sinusspannung sind. Der allgemeine Verlauf der sich daraus ergebenden Schwebungsspannung U(t) ist in der F i g. 1 mit der voll ausgezogenen Kurve Q dargestellt.

Wenn durch Reihenschaltung der Phasen zwei Mehrphasenspannungssysteme zusammengesetzt werden, erhält man η Spannungen, die der vorstehend beschriebenen ähnlich sind und die sich in dieselbe Hüllkurve einschmiegen, jedoch gegeneinander um

—'- versetzt sind, wobei η die Zahl der Phasen eines

jeden Systems ist. Die F i g. 2 gibt die Kurven derartiger Spannungen wieder, deren Gleichungen sind:

U_A = U₁ sin(w,t) + U₂ sin (^₂I)

U_B = IZ₁ sin (<mt —^j + U₂ sin (t»₂l —

U_c = CZ₁ sin \">ι^ι+-τ~) + ^U2 sin ("'2' +~T~)

(Kurve 1)
(Kurve 2)

(Kurve 3)

Diese Darstellung gilt für zwei Dreiphasensysteme nung U(t) = 2Uo cos εί ■ sin ωί als pseudo-sinusförmige

(nachfolgend wird die Beschreibung anhand des b5 Spannung mit der Kreisfrequenz ω und einer mit

Beispiels von zwei Dreiphasensystemen vorgenommen). 2i/ocosef schwankenden Amplitude schreiben. Da-

Wenn die Differenzspannung e = 0 ist, das heißt durch ergibt sich für zwei in Reihe geschaltete

U\ = U₂ = Uts, dann läßt sich die resultierende Span- Mehrphasensysteme eine Form der resultierenden

3 4

Spannungen, wie sie vorstehend beschrieben sind. Im Falle der Fig.3a gelten folgende Spannungsgleichungen:

U_O) = U₀ sin (m, 1) + U₀ sin (i.,₂t) = U₁₁ + U₂₁ (Kurve a,)

U„₂= I/osin^f..,!-^J + U_osin( "^--pj = ^uu + V₂₂ (Kurve α,)

U_OJ = U₀ sin fi-_nt + -γ\ + U₀ sm(„_l2t + ^γ) = U₁₃ + U₂₃ (Kurve a₃).

Wenn man außerdem die Phasen des zweiten Gruppe, wobei nur die jeweiligen Hüllkurven gegenein-

Mehrphasensystems gegenüber dem vorderen zyklisch ander verschoben sind. Die F i g. 3a, 3b und 3c zeigen ein

vertauscht, erhält man π Spannungsgruppen von im Beispiel dieser drei Spannungsgruppen mit:

wesentlichen gleichem Verlauf wie dem der ersten

U_b] =

+ ^o sin

'--^) = ^un + ^22 U_1n = U₀ sin f,,,, t - Ip) + U₀ sinL· 1 + ^p) = U₁₂ + U₂₃ U_b} = U₀ sin f „nt +^r) + U₀ sin (.^t = U,, + U₂₁ U_C) = U₀ sin W₁ 1 + U₀ sin Λ..₂ΐ + -pj = U_n + U₂₃

U_n = U₀ sin L₁₁1 - lp\ + U₀ sin ^r = U₁₂ + U₂₁ U_Ci = U₀ sinΛ.ι,ι + -pj + U₀sin(m₂; - -p\ = U₁₃

+ U

(Kurve O₁)
(Kurve b₂)
(Kurve b₃)
(Kurve C₁)
(Kurve c₂)
(Kurve r₃).

Eine Vektordarstellung der Gleichungen ist in den umläuft.

Fig.4a, 4b und 4c wiedergegeben, wobei das System Die sich daraus ergebenden Spannungen (ίΛ,, U_s:,

der Spannungen L/11, L/12, i/i3 mit der Winkelgeschwin- U_a), (£Λ,, Ub₇, ίΛ,,), (U_Ci, Uc₂, U_c) bilden drei

digkeit (ωί + εί) und das System der Spannungen U₂], »pseudo-dreiphasige« Systeme mit jeweils variablen

i/22 und i/23 mit der Winkelgeschwindigkeit (ωχ — εί) -to Amplituden von der Größe

= 2U₀co_Si/,

U_C(i=2U₀cos

Es sind bereits Schwebungsspannungsgeneratoren bekannt, in denen zwei Wechselstromgeneratoren enthalten sind, die jeweils ihre eigene Frequenz erzeugen. Eine solche Anordnung ist teuer und braucht viel Platz, weil zwei gesondert umlaufende Maschinen benötigt werden.

Mit der Erfindung werden neue Mittel geschaffen, die sich dazu eignen, das Phänomen der Schwebung dazu auszunutzen, Mehrphasenspannungssysteme mit einer vorgegebenen Frequenz f, die konstant oder variabel ist, zu erzeugen, und zwar mit einer Pulsation ε, wobei diese den obigen Gleichungen (3, 4, 5) entsprechenden Spannungen von einem elektrischen Generator abgegeben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugiunde, einen Schwebungsgeneratof zu schaffen, der es ermöglicht, Systeme von Mehrphasenspannungen mit η Phasen entsprechend den η ftleichungssystemen (3) bis (5) zu erzeugen.

Diese Aufgabe wirü durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Generator ist auf diese Weise besonders komDakt. da er pur eine Welle besitzt und einen gemeinsamen Ständer hat, was eine besonders große Anpassungsfähigkeit bedeutet.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel in ihren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm des Spannungsverlaufs gemäß Gleichung(l);

F i g. 2 ein Diagramm der Spannungen nach den Gleichungen (2);

F i g. 3a bis 3c Spannungskurvendiagramme entsprechend den Gleichungen (3) bis (5);

F i g. 4a und 4c Vektorbilder der Spannungen nach bo den Gleichungen (3) bis (5);

F i g. 5 einen schematischen Axialschnitt durch einen Schwebungsspannungsgenerator in erfindungsgemäßer Gestaltung;

F i g. 6a und 6b Querschnitt entsprechend den Ebenen t» VIa-YIabzw. VIb-VIb in Fig.5;

Fig. 7 ein grobes Schaltschema des Schwebungs-Spannungsgenerators in Verbindung mit einem entsprechenden Demodulator;

F i g. 8 ein Schaltbild eines Längsschnittes durch den Generator in einer möglichen Gestaltung und

F i g. 9 und 10 Darstellungen von axialen Längsschnitten durch spezielle Ausführungsbeispiele des Generators.

Die F i g. 5 zeigt das Schema eines Schwebungsspannungsgenerai, rs der hier beschriebenen Form. Der Generator besitzt einen Ständer, der demjenigen eines homopolaren Doppelwechselspannungsgenerators entspricht und zwei Induktionsanker 1 1 und 12 aufweist, die über ein Joch 10 miteinander verbunden sind. Das Besondere an dem Generator der Fig.5 ist die Gestaltung des Doppelrotors mit seinen beiden Abschnitten 21 und 22, die mit unterschiedlicher Kreisfrequenz ωι, ω₂ angetrieben und voneinander durch einen Luftspalt 23 getrennt sind, dessen Gestalt sehr vielfältig sein kann.

Die zwei Halbrotoren 21, 22 werden von einem gemeinsamen Magnetfluß durchströmt, doch da die beiden Halbrotoren 2t, 22 mit unterschiedlicher Kreisfrequenz ωι, ω₂ angetrieben sind, ist es möglich, in den Spulen ihrer entsprechenden Anker 11, 12 Spannungen von verschiedener Frequenz zu erzeugen. »

Der Generator besitzt eine zur Achse der Halbrotoren 21, 22 konzentrische Erregerspule 3, durch die ein Erregerstrom i„ fließt, welche den für beide Anker 11, 12 gemeinsamen Fluß Φ hervorruft.

Die beiden Halbrotoren 21, 22 können, wie dies bei allen Wechselspannungsgeneratoren geläufig ist, eine Anzahl von Polkörpern 210, 220 haben, die je nach den vorgesehenen Anwendungsfällen unterschiedlich ist. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der jeder Halbrotor 21, 22 nur jeweils einen Polkörper 210, 220 besitzt. Es ist jedoch interessant, die Zahl der Polkörper zu erhöhen, wie auch die Kreisfrequenz ωι, ω?, was später noch im einzelnen begründet wird.

In den F i g. 6a und 6b ist dargestellt, daß jeder Anker U, 12 ein System von dreiphasigen Wicklungen mit jeweils drei unabhängigen Strängen je Phase enthält. Die Wicklungen der einzelnen Stränge des ersten Ankers, die untereinander gleiche effektive Windungszahlen haben, sind jeweils mit einer Wicklung des zweiten Ankers entsprechend dem Schaltschema der F i g. 7 in Reihe geschaltet. Aus den F i g. 6a und 6b wird deutlich, daß jeder Strang der ersten Phase im ersten Anker das Bezugszeichen uu. jeder Strang der zweiten Phase das Bezugszeichen t/12 und jeder Strang der dritten Phase das Bezugszeichen Un trägt, während beim zweiten Anker jeder Strang der ersten Phase mit t/21, jeder Strang der zweiten Phase mit U₂₂ und jeder Strang der dritten Phase mit un bezeichnet ist. Ganz allgemein ist jeder Strang jeder Phase des ersten Ankers mit einem Strang einer Phase des zweiten Ankers in der Weise in Reihe geschaltet, daß die Stränge des zweiten Ankers, die mit den Strängen derselben Phase des ersten Ankers in Reihe liegen, sämtlich verschiedene Phasen angehören, und zwar in zyklischer Vertauschung.

Die Spannungen an den Klemmen der Wicklungsstränge i/n, u-,2, U13, t/21, t/22 und i/23 sind die Spannungen Uw, Un, t/13, U₂\, Un, U₂₃, die an früherer Stelle bereits definiert wurden, so daß man am Ausgang drei Spannungssysteme (U_2}, U_n, U₃), (Ut_n, Ut₂, U₆₃) und (Uc₁, Uc₂. Uc₁) erhält, die den Gleichungen (3) bis (5) entsprechen.

Die drei Systeme von pseudo-sinusförmigen Dreiphasenspannungen, deren Amplituden Ua₀, Ub₀, Uc₀ sind, können unmittelbar einem Demodulator zugeleitet werden. Es ist auf diese Weise möglich, mit Hilfe eines derartigen Demodulators, der grob schematisch in der F i g. 7 angedeutet ist, am Ausgang ein Dreiphasenspannungssystem mit den Spannungen JZ^₀, Ub₀ und Uc₀ zu erhalten, dessen Pulsation oder Schwingungsfrequenz ε ist (siehe hierzu Gleichung (6)). Man sieht in der Fig. 7, daß die Spannungen L^o. Ub₀, Uc₀ bei einem umlaufenden Demodulator an den jeweiligen Klemmen der ruhenden Wicklungen 81, 82, 83 auftreten, die konzentrisch zu einem frei mit der Kreisfrequenz ω umlaufenden Rotor angeordnet sind, der mit magnetischen Schließungskreisen 71, 72, 73 ausgestattet ist, die mit Beziehung zu den Ankern 91, 92, 93 ausgerichtet sind, welche die vorstehend genannten, pseudo-sinusförmigen Dreiphasenspannungssysteme zugeführt erhalten. Es ist selbstverständlich ausgehend von diesen pseudo-sinusförmigen Dreiphasenspannungssystemen möglich, die Dreiphasenspannungen Ua₀, Ub₀, Uc₀ mit Hilfe auch anders gestalteter Demodulatoren zu

2(i gewinnen.

Die Halbrotoren 21, 22 des Schwebungsspannungsgenerators können von zwei unabhängigen Motoren in Drehung versetzt werden, die mit den unterschiedlichen Kreisfrequenzen ωι, ω₂ umlaufen. Damit die in den verschiedenen Wicklungen der beiden Anker 11,12, die vom selben Fluß durchströmt sind, induzierten Spannungen gleiche Amplituden (U\ = U₂= U₀) haben, ist es dann erforderlich, daß das effektive Windungszahlungenverhältnis -- für den ersten bzw. zweiten Anker

JO "2

gleich dem inversen Verhälötnis der Kreisfrequenzen 'y der Antriebsgeschwindigkeiten des ersten und des

zweiten Halbrotors ist. Eine derartige Gleichheit läßt j--, sich nur für einen einzigen Verhältniswert der Geschwindigkeiten erzielen, da das effektive Windungszahlenverhältnis eine durch die Konstruktion festgelegte Größe ist. Wenn also das Verhältnis '"' sich vom

••1

⁴⁽¹ optimalen Wert ^ unterscheidet, dann sind die Amplituden U-, und Lh der beiden zusammengesetzten Spannungssysteme nicht mehr gleich, und die sich daraus ergebenden Spannungen enthalten einen Fehler, der Gestalt 2esin (et)cos (ωι), wie er der Gleichung (1) zu entnehmen ist, worin

ist.

Es geht deutlich hervor, daß der Fehleraudruck um so kleiner ist, je kleiner das Verhältnis ω\Ιω₂ selbst ist, das in Abhängigkeit von der gewählten Pulsation der Modulation

_b0 variabel ist, d. h. wenn das Verhältnis selbst klein ist ""'"'

Dies führt dazu, die Antriebsgeschwindigkeit oder die Kreisfrequenz ωι und Iu₂ der beiden Halbrotoren so weit wie möglich hochzutreiben, wie auch die Zahl ihrer Polkörper 210, 220. Dies ist besonders leicht mit einem Doppelrotor aus Eisen zu erreichen, der sich in dem Schwebungsspannungsgenerator gemäß der Erfindung dreht

Bei der in der Γ i g. > dargestellten Maschine ist nur eine einzige, die Welle konzentrisch umgebende lirregerspule gezeigt, in der ein Strom /,., fließt, wodurch ein einheitlicher, gemeinsamer Muli Φ durch die beiJun Anker hindurchgetrieben wird. Betrachtet man dagegen die F i g. 8, so sieht man, daß zusätzlich seitlich zwei Hilfserregerspiilen 5 und 6 angebracht sind, die ebenfalls die Welle konzentrisch umgeben und die zwei Hilfsflüssc Φι und Φ_> erzeugen, die sich in den beiden Ankern 11 und 12 dem gemeinsamen Fluß Φ überlagern. Durch Regelung der in den beiden Hilfserregerspuleii fließenden Ströme ist es möglich, jeden einzelnen Anker zu steuern und um einen Mittelwert im Gleichgewicht zu haben.

Eine besonders interessante Antriebsart für die beiden Halbrotoren 21, 22 laßt sich mit Hilfe eines einzigen Antriebs 40 unier Zwischenschaltung eines mechanischen Übersetzungsgetriebes 4 erreichen, wie dies in der Fig. 8 dargestellt ist. In Jicsem Fall ist es unter Zuhilfenahme der klassischen Gesetze der Mechanik möglich, die Drehzahlwerte zu steuern, indem das Motordrehmoment in einem konstanten Verhältnis entsprechend dem Getriebeübersetzungsverhältnis auf die Bremsmomente jedes einzelnen Rotors einwirk¹. Das elektromagnetische Widerstandsmoment eines jeden Halbrotors 21, 22 ist proportional dem ihn durchstzenden Gesamlfhiß, da ja die Spulen vom selben Strom durchflossen sind und der Leistungsfaktor für die beiden Halbmaschinen gleich ist (C = Φ/cos ψ).

Wenn somit ein Regler 50 mit der Ausgangsfrequenz (entsprechend der Pulsation t) Erregerströme erzeugt, die den beiden seitlichen Hilfserregerspulen 5, 6 zugeführt werden, dann ist es möglich, eine Ausgangsfrequenz f = J₁- entsprechend einem vorgegebenen

Programm zu erzeugen: zum Beispiel eine konstante Frequenz bei einer schwankenden Antriebsdrehzahl, oder im Gegensatz dazu eine variable Frequenz bei einer festen Antriebsdrehzahl.

Andererseits kann auch die mittlere Erregerspule 3 mit einem Regler 30 zum Regeln der Ausgangsspannung verbunden sein, wodurch die Ausgangswerte vollständig einem gewünschten Spannungs-/Frequenz-Programm für einen am Ausgang des Schwebungsspannungsgenerators angeschlossenen Demodulator angepaßt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Schwebungsspannungsgenerators, der über ein mechanisches Differentialgetriebe 4 über einen einzigen Hingangswellenzapfen 40 angetrieben wird und der ferner mit einer I laupterregerspule 3 und mit zwei Hilfserregerspulen 5, 6 ausgestattet ist, ist in der F i g. 9 wiedergegeben. Jeder Halbrotor 21, 22 wird über Zahnräder 41, 42 des Differentialgetriebes 4 in Drehung versetzt, das seinerseits seinen Antrieb vom F.ingangswelle.izapfen 40 erhält.

Aus der Fig.9 ist darüber hinaus eine bestimmte Gestaltung des Luftspaltes 123 zwischen den beiden Halbrotoren 21, 22 ersichtlich. Dieser Luftspalt in Form einer Treppenstufung ist selbstverständlich nicht die einzige mögliche Ausbildung. Die Fig. !0 zeig! eine andere Variante eines derartigen mittleren Luftspaltes

225 mit einem geradlinigen, waagerechten Abschnitt

226 von relativ großer Länge.

Es versteht sich, daß der Fachmann zahlreiche Abwandlungen der als Beispiel wiedergegebenen Ausführungsformen vornehmen kann. So können beispielsweise entsprechend der Gestaltung in Fig. 10 die in der Fig.9 mit 101 und 102 bezeichneten Abschnitte des magnetischen Schließurgskreises, über die der Magnetfluß an den Stirnenden der Maschine zwischen dem langgestreckten joch 10 und dem Doppelrotor 21, 22 übergeht, durch ein zentrales, radiales Teil 103 ersetzt werden, das am Joch 10 zwischen den beiden Ankern 11 und 12 befestigt ist und dem Doppelrotor im Bereich des Luftspaltes 225, der die beiden Halbrotoren 21, 22 voneinander trennt, gegenübersteht.

Die Anbringung der verschiedenen Spulen und Wicklungsteile und die Art ihrer Verbindung kann ebenfalls variiert werden. Bei eier Ausführung der Spannungs- und Frequenzregler 30 bzw. 50 kann von verschiedenen Reglertechniken Gebrauch gemacht werden. Die Art des Differentialgetriebes 4, seine Anbringung und der eventuelle Einsatz einer weiteren Übersetzung könnenn ebenfalls nach der in Aussicht genommenen Verwendung der Maschine gewählt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwebungsspannungsgenerator zur Erzeugung von π Systemen von Mehrphasenspannungen zu je π Phasen, in welchen π Systeme mit einer vorbestimmten festen oder variablen Pulsation <: amplitudenmoduliert sind und gegeneinander eine

Phasenverschiebung von -^- haben, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als Generator eine Homopolar-Maschine mit einer zur Rotorachse konzentrischen Erregerspuie (3) und zwei, beidseitig zur Erregerspule angeordneten Ankern (11, 12) vorgesehen ist, wobei

b) jeder Anker ein System von Mehrphasenwicklungen (1/11, Uu, Uo; U21, U22, mi) mit η unabhängigen Strängen je Phase hat, wobei jeder Strang jeder Phase des ersten Ankers (11) mit einem Strang einer Phase des zweiten Ankers (12) so in Reihe geschaltet ist, daß die Stränge des zweiten Ankers, die mit den Strängen jeweils derselben Phase des ersten Ankers in Reihe geschaltet sind, sämtlich unterschiedliche Phasen angehören, bestimmt durch zyklische Vertauschung, und
c) die beiden Halbrotoren (21, 22) voneinander getrennt und mit zueinander derart unterschiedlichen Kreisfrequenzen coi, ω₂ angetrieben sind, daß die Hälfte der Kreisfrequenzdiffe-