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Diese Erfindung betrifft den technischen Bereich von
synchronen- oder Gleichstrom-Elektromaschinen mit einem
Stator und einem Rotor, wobei der eine der
gleichstromgespeiste Induktor und der andere der Anker der
Maschine ist, oder umgekehrt.
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Während des Betriebs dieses Maschinentyps tritt an jedem
Erregerpol eine Variation des Magnetflusses auf, die
Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs verursachen.
Eine vertiefte Analyse des Vibrationsspektrums zeigt, daß
bestimmte Vibrationen von der Maschinenstruktur selbst
abhängen und insbesondere von der Unwucht des Rotors und
der Passage der Rotorzähne unter den Erregerpolen
herrühren.
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Was die von der Rotorunwucht verursachten Vibrationen
anbetrifft, so beschreiben die Patente DE-A-2 114 040 und
FR-A-1 186 527 jeweils eine gyroskopische
Stabilisierungsvorrichtung des Rotors zur Verringerung
oder sogar Aufhebung dieses Vibrationstyps.
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Eine andere Ursache der Variation von Magnetflüssen ist
auf von der äußeren Umgebung und von den Organen, die
diesen Elektro-Maschinen zugeordnet sind, erzeugte
Belastungen und Vibrationen zurückzuführen.
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Daraus ergibt sich, daß die Maschinen eines solchen Typs
Sitz von Vibrationen elektro-magnetischen Ursprungs sind,
die sich im allgemeinen auf ihre Tragstruktur und/oder auf
ihre Bestandteile, und insbesondere auf den Rotor
übertragen.
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Die Ausbreitung dieser Vibrationen gestattet es, die
Struktur und/oder die zugeordneten Organe leicht zu
erkennen, was für bestimmte spezifische Anwendungen dieser
Maschinen von großem Nachteil ist.
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Außerdem erzeugen die Vibrationen unvermeidlich
mechanische, den Organen auferlegte Belastungen, wie z. B.
Ermüdung.
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Bei anderen Anwendungen dieser Maschinen kann es wiederum
vorteilhaft sein, diese Vibrationen zu verwenden oder
sogar zu erhöhen, insbesondere bei Maschinen, die zur
Ausrüstung von Extraktions- oder Abzugsanlagen von
pulverformigen Produkten in Silos dienen, wo eine
Gewölbewirkung auftreten kann.
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Die Vibrationen dieser Maschinen können an den mit
Produkten geladenen Bunker übertragen werden, um ,die
Gewölbewirkung abzubrechen.
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Daraus ergibt sich das allgemeine Problem der beliebigen,
vom gewünschten Anwendungstyp abhängigen Kontrolle der
Vibrationen elektro-magnetischen Ursprungs dieser
Maschinen, für das es bisher noch keine annehmbaren
Lösungen gab.
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Die Erfindung hat gerade das Ziel, dieses Problem zu
beheben, indem sie elektro-magnetische Mittel zur
beliebigen Kontrolle von Vibrationen elektro-magnetischen
Ursprungs dieses Maschinentyps vorschlagt.
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Außerdem hat die Erfindung das Ziel, durch
elektromagnetische Mittel eine Möglichkeit zu schaffen, dem Rotor
dieses Maschinentyps eine radiale Belastung aufzuerlegen.
Die Erfindung soll insbesondere dazu dienen, diesen
Vibrationstyp abzuschwächen oder sogar völlig
auszuschalten.
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Außerdem soll die Erfindung dazu dienen, diesen
Vibrationstyp in nicht zu vernachlässigender Weise zu
erhöhen.
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Letztlich soll die Erfindung einfache, leicht anpaßbare
und kostengünstige, elektro-magnetische Kontrollmittel
schaffen.
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Zur Erreichung der o.g. Ziele, verfügen die
erfindungsgemäßen Elektromaschinen über Mittel, die bei
mindestens einem Pol auf die diesem Pol zugeordneten
Wicklungen so einwirken, daß das Magnetfeld örtlich
geändert und dem Rotor eine zeitweise radiale Belastung
auferlegt wird, in Verbindung mit von der Maschine
erzeugten Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs, wobei
diese Mittel
- einen Fühler der Rotordrehfrequenz,
- einen Fühler der Vibrationen in Amplitude und Phase, mit
einem auf die Rotordrehfrequenz zentrierten
Nachbandfilter,
- die Beaufschlagungsmittel auf die Wicklungen, mit einem
auf die Rotordrehfrequenz synchronisierten, alternativen
Erregungssignal,
- und die Regelmittel der Beaufschlagungsmittel, die in
Verbindung mit der Phase und der Amplitude der erfaßten
Vibrationen die Phase und das Modul des alternativen
Erregungssignals ändern,
umfassen.
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Eine genaue Definition der Erfindung ist in den
Patentansprüchen enthalten.
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Aus der nachstehenden Beschreibung gehen verschiedene
andere Kennzeichen hervor, unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen, die anhand von unbeschränkten
Beispielen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gegenstands zeigen.
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Fig. 1 ist ein schematischer gerader Querschnitt einer mit
Erregungswicklungen ausgestatteten Maschine.
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Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Versorgungsschaltbild
der Erregungswicklungen.
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Fig. 3 ist ein Beispiel für die Zusammenfassung und die
Versorgung von Erregungswicklungen einer Maschine mit
einer großen Anzahl von Erregerpolen.
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Fig. 4 veranschaulicht die Form des Versorgungssignals der
Erregerwicklungen.
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Fig. 5A bis 5D veranschaulichen das Beaufschlagungsprinzip
des vom Versorgungssignal der Erregerwicklungen gebildeten
Magnetfelds.
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Fig. 6 ist ein schematischer gerader Querschnitt einer
Elektromaschine entsprechend einer erfindungsgemäßen
Ausführungsvariante.
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Fig. 7 zeigt das Versorgungsschaltbild der
Erregungswicklungen einer Elektromaschine gemäß Fig. 6.
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Fig. 1 veranschaulicht beispielsweise eine vierpolige
Gleichstrom-Elektromaschine 1 mit einem an einem Gestell 3
befestigten Stator 2 und einem koaxial im Stator 2 durch
hier nicht dargestellte Lager montierten Rotor 4.
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Der Stator 2 stellt den Induktor der Elektromaschine dar
und verfügt dafür über vier gleichmäßig winklig verteilte
Erregerpole P&sub1;-P&sub4;. Jeder der Pole P&sub1;-P&sub4; trägt eine
Erregungswicklung E&sub1;-E&sub4;, die jeweils in herkömmlicher
Weise mit Gleichstrom versorgt werden, um das
Erregungsmagnetfeld zu erzeugen.
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Der Rotor 4 stellt den Anker der Maschine dar und verfügt
an seiner Peripherie über hier nicht dargestellte
Ankerwicklungen, die jedoch nach dem bekannten Stand der
Technik angeordnet sind. Der Rotor 4 und, genauer
ausgedrückt, sein Magnetkreis, kanalisiert den
Erregungsmagnetfluß, der einen zwischen jedem Pol und dem
Rotor beschränkten Luftspalt 5 durchquert.
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Der Einfachheit halber wurde eine vierpolige
Gleichstrommaschine dargestellt, aber die Erfindung
bezieht sich ebenfalls auf eine Maschine mit im
allgemeinen Erregerpolen Pi, die jeweils einer
Induktorwicklung Ei zugeordnet sind.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung auch auf synchrone
Elektromaschinen, die bekannterweise über einen den Anker
bildenden Stator und den Induktor bildenden Rotor
verfügen.
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Die Erregungswicklungen E&sub1;-E&sub4; sind erfindungsgemäß an
Steuermittel 6 ihrer Erregerstromversorgung iex,
angeschlossen, wie es die Fig. 2 veranschaulicht.
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Vorzugsweise entsprechen die Steuermittel 6 der Anzahl der
Polpaare und versorgen die schräg gegenüberliegenden
Polwicklungen, wie z. B. die Wicklungen E&sub1;, E&sub3; entsprechend
den Polen P&sub1;, P&sub3;.
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Bei Maschinen mit einer großen Anzahl von Polen kann
jedoch ein einzelnes Steuermittel 6 für jede einem Pol
zugeordnete Erregungswicklung vorgesehen werden. Es kann
ebenfalls in Betracht gezogen werden, die
Erregerwicklungen in Serie zu schalten und somit zwei
gegenüberliegende und phasenverschobene Polpaare zu
bilden, mit nur einem Einzelsteuermittel 6 für die
Wicklungen eines jeden, so gebildeten Polpaares, wie es
die Fig. 3 veranschaulicht.
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Im allgemeinen kann man davon ausgehen, daß die Anzahl
der Steuermittel 6 immer mindestens gleich zwei sein muß.
Die Steuermittel 6 bestehen aus Beaufschlagungsmitteln 7
des Erregerstroms iex auf die Induktorenwicklungen. Die
Beaufschlagungsmittel 7 sind mit der Drehfrequenz des
Rotors synchronisiert, die von einem am Rotor 4 montierten
Drehzahlgeber 8 erfaßt wird. Die Beaufschlagungsmittel 7
werden von Regelmitteln 9 gesteuert, die wiederum am
Eingang durch die Drehfrequenz des Rotors und die vom
Vibrationsgeber 10 erfaßten und gefilterten 11 Daten
gesteuert werden.
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Die Beaufschlagungsmittel 7 bestehen zum Beispiel aus
einen Transistor-Wechselrichter mit
Impulsbreitenmodulation, einer einphasigen oder
dreiphasigen Gleichrichterbrücke, oder aus einem
Leistungsverstärker.
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Die Beaufschlagungsmittel 7 liefern einen Erregerstrom
iex, der aus einem Dauersignal A besteht, dem ein
variables Signal S überlagert ist (Fig. 4).
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Das Dauersignal A bildet das Erregungsmagnetfeld, das für
einen normalen Betrieb der Elektromaschine erforderlich
ist.
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Das alternative und vorzugsweise sinusförmig variable
Signal S verändert das Erregungsmagnetfeld, in Verbindung
mit den Variationen des Magnetflusses oder des Luftspalts,
Vibrationserzeuger elektromagnetischen Ursprungs, im
Zusammenhang mit der Maschinenstruktur oder den äußeren
Belastungen.
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Man kann davon ausgehen, daß das Signal S folgende Form
hat: V sin (+). Die Frequenz entspricht der Frequenz
der Rotordrehung. Die Amplitude V und die Phase des
Signals stellen jeweils die Amplitude und die
Winkelstellung der Vibrationen gegenüber dem Rotor, und in
Erweiterung, der von den Vibrations- 10 und Drehzahlgebern
8 erfaßten Luftspaltvariation dar.
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Zu diesem Zweck kann der Vibrationsgeber 10 aus einer
Hallsonde, einem Beschleunigungsgeber oder einem
Näherungsschalter bestehen, die zum Beispiel in der
Polgeraden angebracht werden. Die vom Geber 10 erfaßten
Informationen werden im Filter 11 vom Typ Nachbandfilter,
das auf die Drehfrequenz des Rotors zentriert ist,
verarbeitet, um somit die äußeren Störgeräusche des
festgelegten Durchlaßbereichs zu beseitigen.
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Die das Dauersignal A liefernden Regelmittel 9 gestatten
es, die Amplitude V und die Phase des Signals S
gegenüber dem Rotor beliebig zu verändern. Das Dauersignal
A kann jedoch ebenfalls unmittelbar von den
Beaufschlagungsmitteln 7 geliefert werden.
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Gemäß einem ersten Kennzeichen, definieren die
Regelmittel 9 die Phase und die Amplitude V, um die
Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs zu vermindern.
Zu diesem Zweck suchen die Mittel 9 durch Errechnung das
Minimum der vom Vibrationsgeber gelieferten Daten, das von
den Variablen V und abhängig ist. Das Minimum wird
zunächst im Verhältnis zu einer dieser beiden Variablen
und dann im Verhältnis zur anderen gesucht, bis man das
absolute Minimum erhält.
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Gemäß einem zweiten Kennzeichen, suchen die Regelmittel
9, ebenfalls durch Errechnung, das Maximum der vom
Vibrationsgeber 10 gelieferten Daten, um die Vibrationen
elektromagnetischen Ursprungs zu erhöhen.
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Demzufolge liefern die Steuermittel 6 einen ständigen, auf
die Drehfrequenz des Rotors eingestellten und beliebig
amplituden- und phasenmodulierbaren Erregerstrom iex, mit
dem der Rotor der Maschine radial belastet werden kann, um
somit die Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs
entweder zu erhöhen oder zu entfernen.
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Zu diesem Zweck veranschaulichen die Fig. 5A bis 5D das
Aktionsprinzip des vom Erregerstrom erzeugten Magnetstroms
auf den Rotor, um zum Beispiel die Kompensierung dieser
Vibrationen zu erreichen. Das von den Erregerpolen
erzeugte statische Magnetfeld Hs, ist als Strichlinie
dargestellt.
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Man muß davon ausgehen, daß die Steuermittel 6 die
Wicklungen mit Erregerströmen versorgen, die untereinander
phasenverschoben sind, um ein Gegenfeld zu bilden. Bei
einer Maschine mit vier Polen oder vier Polgruppen, die
somit zwei Polpaare bilden, liefert das einem Polpaar
zugeordnete Steuermittel zum Beispiel einen sinusförmigen
Erregerstrom, während das dem anderen Paar zugeordnete
Steuermittel einen cosinusförmigen Erregerstrom liefert.
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Bei einem Betriebszustand der Maschine mit einer gegebenen
Drehfrequenz des Rotors und bei erfaßten und bezüglich
der Amplitude und der Phase lokalisierten Vibrationen, ist
der Erregerstrom gleitend, um ein rücklaufendes Magnetfeld
zu definieren, das mit der Drehzahl des Rotors läuft. Das
in den Fig. 5 durch einen Strich dargestellte,
rücklaufende Gegenfeld Ht' ist durch die Einstellung der
Phasenverschiebung so eingestellt, daß es den
Vibrationen, genauer gesagt, der Luftspaltvariation,
folgt, um sie zu kompensieren.
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Erfolgt die Flußvariation zum Beispiel am Pol P2', ändert
sich der vom Pol P1' erzeugte Erregerfluß, sowie derjenige
am P&sub3;, jedoch in ergänzender und entgegengesetzter Weise,
um die Unbalanz der Kräfte auszugleichen, die wegen der
Luftspaltvariationen auf den Rotor ausgeübt werden.
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Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Gegenstands, bei der jeder
Erregerpol P&sub1;-P&sub4; der Maschine jeweils mit zusätzlichen, in
herkömmlicher Weise montierten Kompensationswicklungen
E'&sub1;-E'&sub4; versehen ist.
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Die Erregerwicklungen E&sub1;-E&sub4; werden vom das zum normalen
Betrieb der Maschine erforderliche Erregermagnetfeld
erzeugenden Dauersignal A versorgt, während die
Kompensationswicklungen E'&sub1;-E'&sub4; vom alternativen Signal S
in der oben beschriebenen, allgemeinen Form versorgt
werden.
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Daraus ergibt sich, daß das resultierende
Erregermagnetfeld dem vom alternativen Signal S
modulierten Gleichstrom A erzeugten Magnetfeld entspricht.
Die den Kompensationswicklungen E'&sub1;-E'&sub4; zugeordneten
Steuermittel 6' haben die gleiche funktionelle
Konfiguration wie die bereits beschriebenen Steuermittel
6.
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Die Regelmittel 9' gestatten es, die Phase und die
Amplitude V des von den Beaufschlagungsmitteln 7', zum
Beispiel einem einphasigen Wechselrichter, gelieferten,
alternativen Signals S einfach zu ändern.
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Die Steuermittel 6, 6' gestatten es, die durch die Passage
der Rotorkerben unter den Statorpolen entstandenen
Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs zu kompensieren.
Zu diesem Zweck wird die Frequenz der Kerben über den
Drehzahlgeber erhalten, dessen Impulsanzahl pro Umdrehung
ein Vielfaches der Kerbenanzahl des Rotors ist.
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Die Steuermittel 6, 6' liefern daher ein angemessenes
Erregungssignal S, das der durch jede Passage der
Rotorzähne unter einem Erregerpol entstandenden
Luftspaltvariation entspricht.
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In dieser Hinsicht verfügt jede Kompensationswicklung E'&sub1;-E'&sub4;
über Einzelsteuermittel 6, 6'.
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Es ist zu bemerken, daß ein einziger, auf den Rotor
montierter Drehzahlgeber 8 die Erfassung der Drehfrequenz
des Rotors übernehmen kann.