DE4212906A1 - Permanentmagneterregter Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen permanentmagneterregten Genera­ tor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2.

Derartige Generatoren haben den Nachteil, daß die Drehzahl- und Lastabhängigkeit der Spannung an ihren Ausgangsklemmen bisher nur mit einer auf die Nennleistung des Generators be­ messenen Leistungselektronik ausgeregelt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gene­ rator der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine im Prinzip verlustlose Verstellung der Generatorspannung ermög­ licht und unabhängig von der Belastung und von der Drehzahl eine konstante Klemmenspannung produziert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Teilmerkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch die kennzeich­ nenden Teilmerkmale von Anspruch 2 gelöst.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin­ dung dargestellt, wobei eine im Prinzip verlustfreie Ver­ stellung der Generatorspannung durch Stator- oder durch Ro­ torverdrehung erfolgt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen permanentmagneterregten Generator mit zwei ge­ geneinander verdrehbaren Statoren in Vorderansicht,

Fig. 1a den Generator aus Fig. 1 in Seitenansicht (Schnitt A-A),

Fig. 2 einen permanentmagneterregten Generator mit zwei ge­ geneinander drehbar gelagerten permanentmagnettra­ genden Teilrotoren in Vorderansicht,

Fig. 2a den in Fig. 2 gezeigten Generator in Seitenansicht (Schnitt A-A), und

Fig. 3 zwei Vektordiagramme, wobei der Index 1 für den Ge­ nerator gemäß Fig. 1 und Index 2 für den Generator nach Fig. 2 steht.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Stator des perma­ nentmagneterregten Generators aus zwei identisch auf gebau­ ten, gegeneinander verdrehbaren Statoren 1 (Statorhälften), die eine mehrsträngige zwei- oder mehrpolige Drehstromwickl­ ung tragen. Die sich entsprechenden Wicklungsstränge beider Statoren sind elektrisch in Reihe geschaltet. Beide Stator­ hälften 1 sind über ein Drehrichtungsumkehrgetriebe 2 mit­ einander gekoppelt, wobei die Achslager 3 des Umkehrgetrie­ bes 2 mit der Gehäusestruktur 4 fest verbunden sind. Das Prinzip des Umkehrgetriebes bewirkt, daß die vom einteiligen Rotor 5 auf die beiden Statoren 1 übertragenen Drehmomente einander entgegen wirken und daher nur das Differenzmoment auf das Umkehrgetriebe 2 einwirkt. Das Differenzmoment wird von einem Schneckengetriebe 6 aufgenommen. Eine Verdrehung der beiden Statoren 1 gegeneinander wird über das Umkehrge­ triebe 2 vorgenommen, wenn auf das Schneckenrad ein Drehmo­ ment aufgebracht wird, dessen Größe sich aus dem Differenz­ moment beider Statoren 1, dem Beschleunigungsmoment der Statormassen und dem zu überwindenden Reibmoment dividiert durch das Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes er­ gibt. Bei zu vernachlässigender Rückwirkung der Statorströme auf die Feldverteilung im Luftspalt (ist bei Ausführung der Magnete in Läufer aus Co-Sm oder Nd-Fe-B fast immer möglich) sind die vom Rotor 5 auf magnetischem Wege auf die beiden Statoren 1 übertragenen Momente nahezu gleich, das Diffe­ renzmoment ist klein. In diesem Fall ist für das Verstell­ moment nur die Summe aus Beschleunigung- und Reibmoment auf­ zubringen.

Die Spannungsverstellung an den Ausgangsklemmen des Genera­ tors beruht auf dem Prinzip der vektoriellen Addition der in den beiden Statorhälften 1 induzierten sinusförmigen Teil­ spannungen wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Ist der Verdreh­ winkel der beiden Statoren 1 gegeneinander null, so werden in diesen phasengleiche Spannungen induziert, in der Summe ergibt sich die algebraische Addition der Teilspannungen und damit das natürliche Maximum. Die Auslegung des Generators hat so zu erfolgen, daß dieser Fall bei minimaler Drehzahl und maximaler fast gegeben ist. Wird der Generator nur mit Teillast oder mit höherer Drehzahl betrieben, so ist für eine Konstanthaltung der Klemmenspannung eine Reduzierung der Summe aus beiden Teilspannungen notwendig. Dies ist möglich, wenn durch Verdrehung der Statoren 1 gegeneinander beide Teilspannungen nicht mehr phasengleich sind, sondern vektoriell addiert werden. Der besondere Vorteil dieses Ver­ fahrens besteht darin, daß bei sinusförmigen Teilspannungen auch die Summenspannung unabhängig von der Größe des Phasen­ winkels sinusförmig bleibt. Zwischen dem mechanischen Ver­ stellwinkel ϕ_mech und dem Phasenwinkel ϕ_el der Teilspan­ nungen besteht die Beziehung ϕ_el=p*ϕ_mech. In nebenste­ hender Gleichung steht der Buchstabe p für die Polpaarzahl der Maschine. Durch eine Federvorspannung des Verstellwin­ kels kann dafür Sorge getragen werden, daß die stabile Ruhelage des Verstellwinkels 180° el. beträgt und somit bei Ausfall der Regelmechanismen nur eine minimale Ausgangsspan­ nung des Generators vorhanden ist.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, bietet sich neben dem Gene­ rator aus Fig. 1 als Mittel zur Spannungsbeeinflussung des permanenterregten Generators eine Rotorverdrehung an. Der Stator 7 dieses Generatortyps besteht aus einem einteiligen mit der Struktur fest verbundenen Blechpaket mit eingelegter mehrsträngiger, zwei- oder mehrpoliger Drehstromwicklung 8. Der Rotor besteht aus zwei identischen, gegeneinander dreh­ bar gelagerten permanenttragenden Teilrotoren 9 mit zum Sta­ tor 7 passender Polpaarzahl. Beide Rotorhälften sind über ein in der Hohlwelle angeordnetes Umkehrgetriebe 10 mitein­ ander gekoppelt, wobei die Achslager 11 des Umkehrgetriebes fest mit der angetriebenen Welle verbunden sind. Es handelt sich um eine räumliche Anordnung des Umkehrgetriebes in der rotierenden Welle und die Notwendigkeit, das Verstellmoment auf ein rotierendes System übertragen zu müssen, was zum Beispiel über eine Wirbelstrombremse möglich ist. Die Wir­ kung des Umkehrgetriebes und die Momentenbeziehungen ent­ sprechen den zu Fig. 1 gemachten Ausführungen. Wird auf die Verstelleinrichtung 12 ein Drehmoment aufgebracht, so können beide Rotorhälften 9 in einem beliebigen Winkel gegenein­ ander verstellt werden.

Im Unterschied zu dem zu Fig. 1 beschriebenen Prinzip, be­ ruht die Spannungsverstellung in diesem Fall nicht auf dem Prinzip der Vektoraddition von Teilspannungen, sondern auf dem Prinzip der Überlagerung räumlich gegeneinander verscho­ bener magnetischer Teilflüsse. Auch in diesem Fall gelten die in Fig. 3 angegebenen Winkelbeziehungen und mit ihnen auch die Abhängigkeit der Klemmenspannung des Generators von dem Verdrehwinkel. Ein Vorteil dieses Prinzips liegt in dem Wegfall der Wickelköpfe zwischen den Statoren und damit in der Einsparung von axialer Baulänge.

Claims (2)

1. Permanentmagneterregter Generator, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stator aus zwei gleich aufgebauten, gegenein­ ander drehbar gelagerten Einzelstatoren (1) besteht, daß die Einzelstatoren (1) in ihrem Blechpaket jeweils eine mehrsträngige Drehstromwicklung tragen, wobei die sich ent­ sprechenden Stränge der beiden Statorwicklungen in Reihe geschaltet sind, daß beide Statoren (1) über ein Dreh­ richtungsumkehrgetriebe (2, 3) miteinander verbunden sind, dessen Achslager (3) an die feststehende Gehäusestruktur (4) angebunden sind, daß eine Betätigung des Umkehrgetriebes (2) eine Winkelverstellung der Statoren (1) gegenüber Umgebung in gleicher Größe jedoch in unterschiedlicher Drehrichtung bewirkt, und daß der zugehörige Rotor (5) permanentmagneter­ regt und ungeteilt ist und die gleiche Polzahl wie die Sta­ toren (1) trägt.

2. Permanentmagneterregter Generator, dadurch gekennzeich­ net, daß der feststehende einteilige Stator eine mehrsträn­ gige Drehstromwicklung trägt, daß der zugehörige permanent­ erregte Rotor (9) auf der halben Länge geteilt ist, daß beide Teilrotoren (9) mit zum Stator passender Polpaarzahl gegen­ einander drehbar gelagert und über ein Umkehrgetriebe (19) miteinander verbunden sind, daß die Achslager (11) des Um­ kehrgetriebes (10) fest mit der angetriebenen Welle verbun­ den sind, und daß eine Betätigung des Umkehrgetriebes (10) eine Winkelverstellung der Teilrotoren (9) gegenüber Umge­ bung in gleicher Größe jedoch in unterschiedlicher Drehrich­ tung bewirkt.