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Dokumentenidentifikation DE69606554T2 29.06.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0865679
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR KORREKTUR DER MAGNETISCHEN ANZIEHUNG IN EINER SCHEIBENFÖRMIGEN MASCHINE
Anmelder Jeumont Industrie - JI, Courbevoie, FR
Erfinder DE SIMON, Eddy, F-59460 Jeumont, FR;
MILET, Yves, F-59600 Assevent, FR;
BONDU, Alain, F-59460 Jeumont, FR
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69606554
Vertragsstaaten CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 19.11.1996
EP-Aktenzeichen 969391523
WO-Anmeldetag 19.11.1996
PCT-Aktenzeichen FR9601832
WO-Veröffentlichungsnummer 9719508
WO-Veröffentlichungsdatum 29.05.1997
EP-Offenlegungsdatum 23.09.1998
EP date of grant 02.02.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2000
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 11/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von elektrischen Maschinen mit scheibenförmigem Aufbau. Sie betrifft ganz besonders ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Rotor und dem Stator einer solchen Maschine.

Elektrische Maschinen mit scheibenförmigem Aufbau umfassen wenigstens einen Stator in Form einer Scheibe, der auf einem Unterbau festgehalten wird und dessen zentraler Teil allgemein ausgespart ist, sowie einen ebenfalls scheibenförmigen Rotor, der auf einer Welle angebracht ist, deren Achse mit der der Statorscheibe zusammenfällt.

Man kann insbesondere das Patent FR-2 583 231 nennen, das eine scheibenförmige Maschine beschreibt, in der eine Rotorscheibe zwischen zwei Statorscheiben angebracht ist, wobei die Windungen der Rotor- und der Statorscheiben an den gegenüberliegenden Seiten angebracht sind.

Man kann sich ebenfalls eine scheibenförmige Maschine vorstellen, umfassend eine zwischen den zwei Rotorscheiben angebrachte Statorscheibe mit doppelter Seite.

In den zwei Fällen sind die Seiten des Stators und des Rotors durch einen Luftspalt getrennt. Beim Aufbau werden die Abmessungen dieser Luftspalten als ungefähr gleich vorgesehen. Bei dieser Art Maschine kann der Rotor aufgrund der mechanischen Bearbeitungstoleranzen und des Aufbaus der verschiedenen Elemente axiale Verschiebungen im Verhältnis zum Stator aufweisen. Es ist ebenfalls festzustellen, daß die Abmessungen aufgrund der thermischen Ausdehnung der Materialien und der mechanischen Belastung variieren können.

Der Fluß, der die Pole der scheibenförmigen Maschine durchquert, umfaßt zwei Komponenten: den Hauptfluß und den Sekundärfluß, der auch Zwischenpolfluß genannt wird.

Der Hauptfluß durchquert axial jede Scheibe. Die erzeugten Kräfte wirken daher in entgegengesetzter Richtung, und das Ergebnis dieser Kräfte ist theoretisch null.

Der Zwischenpolfluß umfaßt variable Komponenten in Abhängigkeit von der Anzahl der Pole und der Abmessungen der Luftspalte. Er erzeugt Kräfte, die sich theoretisch aufheben.

Aufgrund der Abweichungen der Abmessungen jedoch treten im Innern der scheibenförmigen Maschine durch den Zwischenpolfluß erzeugte Kräfte an jedem Luftspalt auf, die sich in der Praxis nicht aufheben.

Somit treten während der Arbeit der Maschinen bedeutende axiale Beanspruchungen auf dem Rotor und dem Stator auf, wobei diese Beanspruchungen auf die Unterschiede der Zwischenpolflüsse auf jeder Seite des Rotors oder des Stators zurückzuführen sind.

Diese Beanspruchungen können die Beschädigung der scheibenförmigen Maschine bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile durch Anbieten eines Verfahrens zum Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte in einer elektrischen Maschine mit scheibenförmigem Aufbau, umfassend wenigstens drei koaxial angeordnete und zwei Luftspalte bildende Rotor- und Statorscheiben, wobei die Außenscheiben von anderer Art sind als die der Innenscheiben, zu beseitigen.

Das Verfahren besteht aus:

- Messung derselben, den Wert des Luftspaltes darstellenden Größe bei jedem der zwei Luftspalte,

- Vergleich besagter Größen und

- Veränderung der Flüsse bei den Luftspalten zum Ausgleich des Wertes der zwei Luftspalte und somit dem Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte.

In einer ersten Ausbildungsart werden die Flüsse der Luftspalte durch unabhängige Speisung der Statorseiten abgeändert.

Die Speisung der Statorseiten wird bevorzugt mittels Wandlern realisiert, die jeder einer Seite der Scheibe zugeordnet sind.

In einer zweiten Ausbildungsart werden die Flüsse der Luftspalte durch Erzeugung eines zusätzlichen Flusses bei jedem Luftspalt abgeändert.

Besagter zusätzlicher Fluß wird bevorzugt durch wenigstens in einem Induktor fließende Ströme erzeugt.

Gemäß einer ersten Ausbildungsart des Verfahrens ist besagte den Wert des Luftspaltes darstellende Größe eine elektromagnetische Größe, insbesondere der Polfluß, der Zwischenpolfluß oder die Induktion.

Gemäß einer zweiten Ausbildungsart des Verfahrens ist besagte Größe eine mechanische Größe, insbesondere die mechanische Verformung der Scheiben oder die relative Verschiebung zwischen einer Rotorscheibe und einer Statorscheibe.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte im Innern einer elektrischen Maschine mit scheibenförmigem Aufbau, umfassend wenigstens drei Rotorscheiben und Statorscheiben, die koaxial angeordnet sind und zwei Luftspalte bilden, wobei die Außenscheiben von der der Innenscheibe verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfassen:

- für jeden Luftspalt ein Mittei für die Messung einer den Wert besagten Luftspaltes darstellenden Größe, das auf einer der Seiten einer der besagten Luftspalte bildenden Scheiben angeordnet ist, wobei besagte Größe bei den zwei Meßmitteln identisch ist, und

- eine Steuereinheit, deren Eingänge mit besagten Meßmitteln verbunden sind und deren Ausgänge mit Angleichungsmitteln verbunden sind, wobei die Ausgangssignale der Steuereinheit besagte Angleichungsmittel derart steuern, daß der Fluß zwischen den zwei Luftspalten angeglichen wird und somit besagte Anziehungskräfte ausgeglichen werden.

In einer ersten Ausbildungsart sind die Angleichungsmittel durch Wandler gebildet, die jeder einer Seite der Statorscheibe zugeordnet sind.

In einer zweiten Ausbildungsart sind die Angleichungsmittel durch wenigstens einen Induktor für jeden Luftspalt gebildet, der auf einer Seite einer der besagten Luftspalte bildenden Scheiben angeordnet ist.

Die nachstehenden Merkmale können ebenfalls einzeln oder gemäß aller ihrer technisch möglichen Verbindungen in Betracht gezogen werden:

- einige Induktoren sind die Wicklungen der Rotorscheibe oder Rotorscheiben.

- die Steuereinheit umfaßt:

- ein Regelungsmodul, das am Eingang die Signale aus den Meßmitteln empfängt und

- ein Steuermodul, das an eine Stromspeisevorrichtung und besagten Induktoren angeschlossen ist, wobei des Regelungsmodul ein Signal an das Steuermodul zur Umleitung des aus der Speisungsvorrichtung in besagten Induktoren herkommenden Stroms liefert

- Das Regelungsmodul umfaßt:

- Mittel zur Umwandlung der aus den Meßmitteln herkommenden Signale in kontinuierliche Signale und

- Mittel zum Vergleich besagter kontinuierlicher Signale, die mit einer Vorrichtung zur integralen Regulierung verbunden sind

- Jedes Meßmittel ist durch wenigstens eine Windung gebildet,

- Jedes Meßmittel ist durch wenigstens einen Halleffektmeßwertgeber gebildet,

- Jedes Meßmittel ist durch wenigstens einen Wirbelstromverschiebungsgeber gebildet,

- Jedes Meßmittel ist durch wenigstens ein Dehnungsmeßgerät gebildet,

- Die Vorrichtung zum Vergleich umfaßt ein einen Alarm oder eine Notausschaltung der Maschine erzeugendes Sicherheitssystem, wenn der Ausgangswert der Vergleichsmittel oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt.

Die Erfindung wird besser verstanden, und andere Aufgaben und Vorteile derselben werden bei der Lektüre der nachfolgenden sich auf die angehängten Zeichnungen stützende Beschreibung klarer verdeutlicht, die Beispiele ohne jeden einschränkenden Charakter der Ausbildungsarten der Erfindung darstellen und auf denen:

- Fig. 1 eine schematische Halbschnittperspektive eines Beispiels für einen Aufbau Rotor / Stator einer scheibenförmigen Maschine darstellt,

- Fig. 2 eine schematische Teilansicht des entwickelten Aufbaus aus Fig. 1 ist,

- Fig. 3 schematisch ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich darstellt,

- Fig. 4 ein anderes Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich darstellt,

- Fig. 5 ein Beispiel für eine Verteilung der Meßsensoren des Zwischenpolflusses auf einer Seite einer Scheibe darstellt,

- Fig. 6 ein Beispiel für den Anschluß der Windungen zur Messung des Zwischenpolflusses zeigt,

- Fig. 7 bis 10 vier Ausbildungsarten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgleich darstellen.

Die den verschiedenen Figuren gemeinsamen Elemente werden durch dieselben Referenzen bezeichnet.

Fig. 1 stellt schematisch eine teilweise Halbschnittperspektive eines Beispiels für eine elektrische Maschine mit scheibenförmigem Aufbau dar.

Diese Maschine umfaßt eine Statorscheibe 1, die durch herkömmliche mechanische Mittel auf einem teilweise dargestellten umgebenden Unterbau 2 festgehalten wird.

Diese Scheibe stellt einen zentralen Teil 10 dar, der ausgespart ist und der auf der Achse 3 der Maschine zentriert ist. Die Statorscheibe 1 trägt auf jeder ihrer Außenseiten magnetische Pole bildende Windungen 4, 5.

Der Rotor umfaßt zwei Scheiben 6 und 7, die mit der Welle 8 fest verbunden sind, der den zentralen ausgesparten Teil 10 des Stators durchquert. Die Achse der Welle 8 fällt mit der Achse 3 der Maschine zusammen.

Jede Rotorscheibe 6, 7 umfaßt auf ihrer Seite 11, 12 gegenüber der Statorscheibe 1 Windungen 13, 14, die alternierend den Nordpol und den Südpol bilden.

Zwischen der Innenseite der Rotorscheiben 6, 7 und den Außenseiten der Statorscheibe 1 liegt ein Luftspalt e1, e2. Diese Luftspalte weisen theoretisch auf jeder Seite der Statorscheibe 1 denselben Wert auf Aufgrund der Toleranzabweichungen bei der Herstellung und dem Aufbau ist der Wert der Luftspalte jedoch in der Praxis verschieden.

Während der Arbeit der Maschine heizt sich diese auf. Da die Abkühlung in der Maschine nicht an allen Stellen perfekt homogen ist, führt dieses Aufheizen zu Abweichungen der Abmessungen. Diese Abweichungen hängen von der Arbeitstemperatur ab und kommen zu den Toleranzabweichungen bei den Abmessungen der Luftspalte noch hinzu.

Ähnliche Feststellungen können auf eine scheibenförmige Maschine zutreffen, die eine zentrale Rotorscheibe und einen aus zwei Scheiben gebildeten Stator umfaßt, wie dies im Patent FR-2 583 231 dargestellt ist.

Die entwickelte Teilansicht gemäß Fig. 2 zeigt den Aufbau Rotor / Stator der Fig. 1. Dieser Aufbau umfaßt die Rotorscheiben 6, 7 und die mit magnetischen Polen 4, 5 mit umgekehrter Polarität ausgerüsteten Statorscheibe.

Die Pfeile 15 und 16 stellen den Hauptfluß dar, der die Pole 4, 5 durchquert. Die Richtung des Hauptflusses ist von einem Pol zum anderen je nach der Polarität desselben umgekehrt.

Die gegenüber jeden Pols durch den Hauptfluß erzeugten magnetischen Anziehungskräfte weisen ebenfalls eine entgegengesetzte Richtung auf und sind praktisch gleich. Folglich ist das Ergebnis dieser auf den Aufbau der Rotor- / Statorscheiben wirkenden Kräfte praktisch null.

Die Pfeile 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f stellen den Zwischenpolfluß dar, der von einem Pol zum anderen zirkuliert. Die Pfeile 18a, 18b, 18c, 18d bezeichnen die auf die Scheiben durch die verschiedenen Zwischenpolflüsse ausgeübten Anziehungskräfte.

Wenn diese Zwischenpolflüsse alle den gleichen Wert hätten, wäre das Ergebnis der durch diese ausgeübten Kräfte praktisch null.

Wie jedoch bereits erläutert, weisen die zwei Luftspalte e1 und e2 verschiedene Abmessungen auf. Außerdem treten während der Arbeit der Maschine Abweichungen der Abmessungen auf, wobei diese Abweichungen auf die thermische Ausdehnung und die mechanischen Verformungen zurückzuführen sind. Folglich ist das Ergebnis der durch die Zwischenpolflüsse ausgeübten Kräfte in der Praxis nicht null.

Somit verbleibt eine Anziehungskraft zwischen einer Seite der Statorscheibe 1 und einer der Rotorscheiben 6, 7. Die dieser Anziehungskraft ausgesetzte Seite der Rotorscheibe entspricht derjenigen, bei der der Luftspalt mit der Statorscheibe am geringsten ist.

Als erste Einschätzung kann davon ausgegangen werden, daß die auf jede Seite der Scheiben ausgeübt Kraft gleich ist mit:

F = β²S/(2 = u&sub0;)

wobei: F = die Kraft auf jeder Seite der Scheibe ist

β = die Induktion im Luftspalt ist

S = die Oberfläche ist

u&sub0; = die Permeabilität im Luftspalt ist

Wenn die Luftspalten nicht den gleichen Wert haben, kann man davon ausgehen, daß die sich ergebende Anziehungskraft, die auf die Seite der Rotorscheibe ausgeübt wird, bei der der Luftspalt mit der Statorscheibe am geringsten ist, e1 in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel in folgender Form ausgedrückt werden kann:

ß · Δß ·x S/(2u&sub0;)

Beispielhaft wird also bei nachstehenden Werten eine Beanspruchung von ungefähr 8 Tonnen pro Quadratmeter auf die Rotorscheibe ausgeübt: β = 1 Tesla und Δβ = 0,1 Tesla.

Diese sich ergebende Anziehungskraft bewirkt die Verringerung des Wertes des Luftspaltes e1 gegenüber einer der Seiten der Statorscheibe 1, wobei dieser Wert bereits geringer ist, und die Erhöhung des Wertes des Luftspaltes e2 gegenüber der der Statorscheibe gegenüberliegenden Seite, wobei dieser Wert von Beginn an der größere ist.

Weiterhin ändern die Abweichungen der Werte der Luftspalte e1 und e2 ebenfalls den Wert der Zwischenpolströme und damit der entsprechenden Kräfte. Diese Kräfte erhöhen sich auf der Seite der dem Luftspalt e1 entsprechenden Rotorscheibe, der sich verringert, und sie verringern sich auf der gegenüberliegenden Seite.

Somit vergrößert sich der Unterschied zwischen den Anziehungskräften, was dazu führt, den bereits zu Beginn geringeren Wert des Luftspaltes e1 noch weiter zu verringern und den Wert des der gegenüberliegenden Seite der Statorscheibe gegenüberliegenden Luftspaltes e2 zu vergrößern.

Die Erhöhung dieser Anziehungskräfte auf der einen Seite der Statorscheibe (auf der Seite des Luftspaltes e1) und die Verringerung dieser Kräfte auf der gegenüberliegenden Seite führen zu bedeutenden Beanspruchungen und zu einer Verformung der Stator- und Rotorscheiben. Im Extremfall kann eine Rotorscheibe eine Statorscheibe reiben, was die Beschädigung der Wicklungen und die Zerstörung der Maschine zur Folge hat.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die das erfindungsgemäße Verfahren darstellt, das den Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine mit scheibenförmigem Aufbau erlaubt, wobei der Rotor und der Stator zwei Luftspalte bilden.

Wie in Fig. 1 umfaßt die scheibenförmige Maschine eine Statorscheibe 1 und zwei Rotorscheiben 6, 7, wobei der Scheibenaufbau auf einer Rotationsachse 3 zentriert ist.

Auf jeder Seite der Statorscheibe 1 sind Mittel 19, 20 angebracht, um eine jeden Luftspalt e1, e2 darstellende Größe zu messen, zum Beispiel der elektromagnetischen Art (insbesondere den jeden Aufbau Rotorscheiben / Statorscheibe durchquerenden Fluß, den Zwischenpolfluß oder die Induktion) oder von der mechanischen Art (insbesondere die Verschiebung zwischen einer Rotorscheibe und der Statorscheibe oder eine mechanische Verformung).

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel erlauben die Mittel 19, 20 die Messung des jeden Aufbau Rotorscheiben / Statorscheibe durchquerenden Flusses, der einem Teil des Polflusses entspricht, der aus dem Hauptfluß und dem Zwischenpolfluß gebildet wird.

Diese Meßmittel sind zum Beispiel die auf jeder Seite der Statorscheibe 1 angeordneten Windungen. Es ist festzustellen, daß die Meßmittel nicht unbedingt auf der zentralen Scheibe sind.

Die technisch einfachste Lösung ist es, die Meßmittel auf dem Stator der Maschine anzuordnen, das heißt, je nach gewähltem scheibenförmigen Maschinentyp, auf den zentralen Scheiben oder auf den Außenscheiben. Es ist jedoch auch möglich, die Meßmittel auf der Rotorscheibe oder den Rotorscheiben anzubringen.

Wie bereits angegeben, erzeugen die durch die Mittel 19, 20 gemessenen Ströme Anziehungskräfte deren Ergebnis insbesondere in Anbetracht der verschiedenen Abmessungen der Luftspalte allgemein nicht null ist.

Das von jedem Meßmittel 19, 20 erzeugte Signal wird auf zwei Eingänge 21, 22 einer Steuereinheit 30 angewendet. Die Steuereinheit kann ein Störsignal bestimmen, das insbesondere von den Abmessungen der Luftspalte abhängt.

Die zwei Ausgänge 23, 24 der Steuereinheit sind mit Induktoren 25, 26 verbunden, die auf der Seite jeder Rotorscheibe gegenüber der Statorscheibe 1 angebracht sind. Die Induktoren 25, 26 entsprechen jeweils den Wicklungen 13, 14 jeder Rotorscheibe 6, 7. Sie können ebenfalls die Form zusätzlicher Induktoren annehmen.

Die Steuereinheit 30 liefert an ihren Ausgängen 23, 24 Signale in Form eines Stroms, wobei diese Signale ein induziertes Feld erzeugen und somit einen zusätzlichen Fluß. Die Steuereinheit 30 bestimmt den Wert dieser Signale, um den schwächsten Zwischenpolfluß zu verstärken und den stärksten Zwischenpolfluß zu verringern.

Somit erzeugen die Induktoren 25, 26 eine Kraft, die dem Ergebnis der Anziehungskräfte gleich und in entgegengesetzter Richtung ist, und bilden Ausgleichsmittel für die magnetischen Anziehungskräfte. Die axialen Beanspruchungen, die auf die Rotorscheiben und den Stator ausgeübt werden, werden somit außer Kraft gesetzt, selbst wenn der Wert der zwei Luftspalte e1 und e2 von der Konstruktion her verschieden ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Diese Variante des Verfahrens zum Ausgleich ist für eine mit Wandlern gesteuerte Maschine geeignet, wobei ein Wandler für jede Seite der Statorscheibe vorgesehen ist.

Wie in Fig. 3 sind Meßmittel 19, 20 auf jeder Seite der Statorscheibe vorgesehen. Das durch jedes Meßmittel 19, 20 erzeugte Signal wird auf die zwei Eingänge 81, 82 einer Steuereinheit 80 angewendet.

Die zwei Ausgänge 83, 84 der Steuereinheit sind mit den Wandlern 85, 86 verbunden. Jeder dieser Wandler ist einer Seite der Statorscheibe 1 zugeordnet.

Die Wandler 85, 86 sind an wenigstens eine elektrische Speiseeinheit 87 angeschlossen. Sie können die Seite der Statorscheibe allein speisen oder in Verbindung mit anderen Quellen.

Die Steuereinheit 80 liefert an ihren Ausgängen 83, 84 verschiedene Signale, die unabhängig auf die jede Seite des Stators 1 speisende Wandler 85, 86 einwirken, wobei selbstverständlich andere mechanische, elektrische oder auch elektronische Parameter in die Steuerung der Wandler eingreifen können.

Diese Signale können insbesondere auf die Speisungsspannung, den Speisungsstrom, den inneren Winkel oder die Wellenform einwirken.

Die Steuereinheit 80 bestimmt den Wert dieser Signale, um den schwächsten Zwischenpolfluß zu erhöhen und den stärksten Zwischenpolfluß zu verringern. In dieser Variante bilden die Wandler die Angleichungsmittel der magnetischen Anziehungskräfte.

Diese Variante des Verfahrens zum Ausgleich ist besonders gut für Maschinen mit Permanentmagneten geeignet, bei denen der Ausgleich der Anziehungskräfte mittels eines zusätzlichen Stroms schwierig ist.

Dies ist ebenfalls für asynchrone scheibenförmige Maschinen geeignet. Wie bereits angegeben, könnten auch andere die Luftspalten e1, e2 darstellende Größen gemessen werden, zum Beispiel:

- der Zwischenpolfluß, insbesondere durch Anordnung einer Meßwindung auf der seitlichen Wand einer Kerbe des Stators,

- der Polfluß auf einer oder mehreren Polen oder auf Polteilen (unter der Bedingung, daß das Ergebnis des gemessenen Flusses nicht zu jedem Zeitpunkt null ist, was zum Beispiel der Fall wäre, wenn die Messung auf einer ganzen Seite der Scheibe durchgeführt würde),

- die Induktion, insbesondere mittels eines Halleffektmeßwertgebers,

- die relative Verschiebung zwischen einer Rotorscheibe und der Statorscheibe, insbesondere mittels eines Wirbelstromverschiebungsgebers oder

- die mechanische Verformung der Scheiben, zum Beispiel durch Dehnungsmeßgeräte.

Fig. 5 stellt ein Beispiel für die Verteilung der Meßwindungen auf einer Seite der Statorscheibe 1, dar, wobei der Aufbau der Windungen ein Meßmittel bildet.

Vier Windungen 20a, 20b, 20c, 20d sind gemäß orthogonalen Durchmessern auf der Statorscheibe 1 verteilt. In Abhängigkeit von dem Wert des Durchmessers der Statorscheibe kann die Menge der Windungen variieren, wobei die Gesamtzahl gerade oder ungerade sein kann.

Fig. 6 stellt ein Beispiel für ein Verbindungsschema der in Fig. 5 dargestellten Windungen dar. Somit werden zwei Windungen 20a, 20c; 20b, 20d, die sich in demselben Durchmesser der Statorscheibe 1 an ihren gegenüberliegenden Außenseiten befinden, in Serie geschaltet. Die Gruppen der zwei Windungen werden ihrerseits parallel miteinander verbunden.

Fig. 6 zeigt ein Verbindungsschema für zwei Windungspaare. Dieses Schema kann selbstverständlich auf mehr als zwei Windungspaare ausgeweitet werden. In diesem Falle werden alle Gruppen von zwei Windungen ebenfalls parallel miteinander verbunden.

Man kann ebenfalls in Betracht ziehen, die Windungen in Serie zu verbinden, das Wesentliche dabei ist, ein sich ergebendes elektrisches oder elektronisches Signal zu erhalten, das mit den Steuereinheiten 30 oder 80 kompatibel ist.

Die Meßwindungen können verschieden von dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel angeordnet sein, wo sie auf der gesamten Fläche der Statorscheibe 1 verteilt sind. Jedoch hätte auch eine andere Anzahl homogen oder nicht homogen verteilter Sensoren vorgesehen sein können.

Im allgemein müssen die Anzahl und die Verteilung der Sensoren derart ausgewählt werden, daß sie ein den Fluß in jedem Luftspalt darstellendes Signal abgeben, damit die Steuereinheit den Zwischenpolfluß wirksam regeln kann.

Fig. 7 stellt eine erste Ausbildungsart der Steuereinheit 30 der Induktoren 25, 26 dar.

Im allgemeinen umfaßt die Steuereinheit 30 ein Regelmodul 40 und ein Steuermodul 50.

Die Eingänge 21, 22 des Regelmoduls 40 fallen mit den Eingängen der Steuereinheit 30 zusammen. Die Eingänge 21, 22 erhalten von den im in Fig. 3 dargestellten Beispiel auf jeder Seite der Statorscheibe 1 angeordneten Meßmitteln 19, 20 ausgegebene Signale.

Das Regelmodul 40 umfaßt eine Vorrichtung 45, die die an die Eingänge 21, 22 übertragenen Signale in kontinuierliche Signale umwandelt, die an den Ausgängen 46 und 47 der Vorrichtung 45 ausgegeben werden.

Wenn die Meßmittel 19, 20 eine Wellenspannung ausgeben, wird diese somit durch die Elemente 41, 42 gerichtet und anschließend von den Elementen 43, 44 gefiltert.

Die durch die Vorrichtung 45 ausgegebenen Signale werden auf die zwei Eingänge der Mittel zum Vergleich 48 angewendet. Diese geben ein Entfernungssignal aus, das einerseits auf eine Vorrichtung zur integralen Regelung 49 angewendet wird und andererseits auf ein Sicherheitssystem 60.

Im allgemeinen hängt die Konzeption des Regelmoduls 40 von den Meßmitteln und von der ausgewählten technologischen Wahl ab. Somit können zahlreiche Varianten in Betracht gezogen werden.

Die weiter oben beschriebene Ausbildungsart ist für in Form von Windungen für die Messung des Stroms realisierten Meßmittel geeignet. Bei diesem selben Sensorentyp kann das Regelmodul 40 ebenfalls für den direkten Vergleich der alternativen aus den Windungen hervorkommenden Signale mit einer Referenzphase konzipiert sein. In diesem Fall werden die Richtelemente 41, 42 weggelassen und die Filterelemente 43 und 44 werden weggelassen oder angepaßt, um zum Beispiel nur die Grundwelle des Signals beizubehalten.

In dem Fall, in dem die Meßmittel Halleffektmeßwertgeber sind, die auf der Rotorscheibe oder auf den Rotorscheiben zur Messung der Induktion angebracht sind, sind die ausgegebenen Signale hauptsächlich kontinuierlich. Das Regelmodul 40 kann dann konzipiert sein, um die Signale nach eine Filterung der hohen Frequenzen zu vergleichen.

Das Sicherheitssystem 60 umfaßt einen Fehlersensor 27 und ein in einem Kontrollposten der Maschine befindliches Modul 28.

Der Fehlerdetektor 27 liefert ein Signal, wenn der Wert des vom Mittel zum Vergleich 48 gelieferten Entfernungssignals, das dem Abstand der gemessenen Flüsse entspricht, einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Dieses Signal, von der Art alles oder nichts, wird auf das Modul 28 angewendet. Dieses Modul erlaubt die Erzeugung eines Alarms oder einer Notausschaltung der Maschine, um ihre Zerstörung zu verhindern.

Die Funktion der Vorrichtung zur integralen Regelung 49 besteht in der Anpassung des von den Mitteln zum Vergleich 48 an die Steuerung des Steuermoduls 50 ausgegebenen Signals. Das Ausgangssignal der Vorrichtung 49 wird daher zum Steuermodul 50 übertragen.

Im allgemeinen ist dieses Steuermodul eine Regelungsvorrichtung der relativen Position der Rotorscheiben und der Statorscheibe mittels einer die Dezentrierung der Scheiben oder auch den Abstand zwischen den auf einer scheibenförmigen Maschine auftretenden Luftspalten darstellenden Größe.

In dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel ist dieses Modul 50 mit einer Speisevorrichtung 70 verbunden und umfaßt zwei Leistungstransistoren 51, 52. Diese werden durch ein durch die Regelungsvorrichtung 49 ausgegebenes Signal gesteuert. Die Transistoren 51, 52 sind mit den Induktoren 25, 26 verbunden, die auf jeder Rotorscheibe 6, 7 mittels Widerständen 53, 54 angeordnet sind.

Somit leiten die Transistoren 51, 52 den Gleichstrom teilweise um, der aus der Speisevorrichtung 70 in den Widerständen 53, 54 hervorgegangen ist. Und der Strom in den Induktoren 25, 26 variiert in umgekehrter Richtung zu den Strömen in den Widerständen 53, 54.

Um die Funktionsweise der Steuereinheit 30 zu verdeutlichen, nimmt man an, daß der durch die Meßmittel 19 gemessene Wert des Flusses größer ist als der durch die Meßmittel 20 gemessene Wert.

Unter dieser Annahme wird die Rotorscheibe 6 einer Anziehungskraft unterworfen, die dazu tendiert, den Luftspalt e1 zu verringern.

Das aus den Mitteln zum Vergleich 48 herkommende Signal ist positiv. Die Vorrichtung zur integralen Regelung gibt ebenfalls ein positives Signal aus, das an das Steuermodul 50 weitergeleitet wird und auf die Träger der Transistoren 51 und 52 angewendet wird. Dieses Signal gewährleistet die Übertragung des Transistors 51 und blockiert den Transistor 52.

Der in dem Induktor 26 zirkulierende Strom ist stärker als der in dem Induktor 25 zirkulierende Strom und sein Wert ist derart, daß er einen Fluß erzeugt, der die Anziehungskraft ausgleicht, der die Rotorscheibe 6 unterworfen ist.

Wenn das aus den Mitteln zum Vergleich 48 hervorgegangene Signal negativ ist, liefert die Regulierungsvorrichtung 40 ebenso ein negatives Signal, das auf den Träger der Transistoren angewendet wird. Dadurch wird der Transistor 51 blockiert, während der Transistor 52 übertragend ist.

Wenn das aus den Mitteln herkommende Signal deutlich null ist, sind die Transistoren 51 und 52 alle beide blockiert.

Die Regulierungsvorrichtung 49 integriert bevorzugt eine Verschiebung um Null, was es erlaubt, ein Ausgangsgleichgewicht für ein Signal zu erhalten, das am Eingang nicht null ist. Somit regelt die Steuereinheit die Flüsse nicht, wenn der Abstand zwischen den durch die Meßmittel 19, 20 gelieferten Signale niedriger als ein bestimmter Wert ist.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausbildungsart der Steuereinheit 30. Im wesentlichen ist es die Steuereinheit 50, die im Verhältnis zur Ausbildungsart der Fig. 7 verändert ist.

Das Steuermodul 50 umfaßt immer die Transistoren 51, 52 und ebenfalls die Induktoren 55, 56. Die Induktoren 55, 56 sind parallel zu den Induktoren 26, 25 angeschlossen. Die Induktoren 25, 55 sind auf der Rotorscheibe 6 angeordnet, während die Induktoren 26, 56 auf der Rotorscheibe 7 angeordnet sind.

Das Regelungsmodul 40 steuert die Transistoren 51, 52 derart, daß der Strom der Induktoren 25, 26 teilweise in die Induktoren 55, 56 umgeleitet wird.

Um die Funktionsweise der Steuereinheit darzustellen, nimmt man an, daß der durch die Meßmittel 19 gemessene Wert des Flusses höher ist als der durch die Meßmittel 20 gemessene Wert.

Das aus den Mitteln zum Vergleich 48 herkommende Signal ist dann, positiv, ebenso wie das durch die Vorrichtung zur integralen Regelung 49 ausgegebene Signal. Dieses Signal gewährt die Übertragung des Transistor 51 und blockiert den Transistor 52.

Der aus der Speisung 70 herkommende Strom wächst dann in dem Induktor 56 an, während sich der Strom in dem Induktor 25 verringert. Da sich jede dieser Wicklungen 25, 26 auf einer Rotorscheibe 6, 7 gegenüber der gegenüberliegenden Seiten der Statorscheiben 1 befindet, verringert sich der Strom auf der Seite des Induktors 25, das heißt auf der Seite der Rotorscheibe 6, und erhöht sich auf der Seite des Induktors 26, das heißt auf der Seite der Rotorscheibe 7.

Bei den Induktoren 55 und 26 ist die Steuerung der Ströme umgekehrt zu der, die bei den Induktoren 25 und 56 beschrieben wurde.

Das Steuermodul 55 erlaubt daher dank des Regelungsmoduls 40 die Realisierung einer Angleichung der Flüsse auf der einen und der anderen Seite des Stators.

Fig. 9 stellt eine andere Ausbildungsart des Steuermoduls 9 der Induktoren 25 und 26 dar.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist jeder dieser Induktoren 25, 26 gegenüber der gegenüberliegenden Seiten der Statorscheibe 1 angebracht. Diese Induktoren sind auf der einen Seite parallel mit einer Gleichstromspeisung 70 und auf der anderen Seite an jedem äußeren Ende eines Regelwiderstandes 57 angeschlossen.

Der Cursor 58 des Regelwiderstandes ist an die Masse angeschlossen, wie in Fig. 9 dargestellt, oder auch an den anderen Ausgang der Speisung 70.

Das Regelungsmodul 40 steuert einen Hilfsmotor 59, dessen Ausgangsachse mechanisch mit dem Cursor 58 des Regelwiderstandes verbunden ist.

Das Regelungsmodul 40 gibt ein Signal aus, das es erlaubt, den Cursor des Regelwiderstandes zu variieren. Das Modul 40 erlaubt es also, den Wert der Ströme in den Induktoren 25, 25 in die umgekehrte Richtung zu variieren. Das ermöglicht es, die durch diese Induktoren erzeugten Flüsse zu variieren und damit die auf die gegenüberliegenden Seiten des Stators ausgeübten Kräfte auszugleichen.

Fig. 10 stellt eine andere Ausbildungsart des Steuermoduls 50 der Induktoren 25 und 26 dar, die wie in Fig. 3 angeordnet sind.

Das Steuermodul 50 umfaßt zwei elektronische Schalter 62, 63, der Art wie Transistoren oder Thyristoren.

Die Speisevorrichtung 70 liefert einen Wechselstrom am Eingang dieser zwei Schalter 62, 63, die im übrigen durch das Regelungsmodul 40 gesteuert sind.

Der durch die Schalter 62, 63 gelieferte Steuerstrom wird durch die Elemente 64, 65, zum Beispiel durch Tiefpaßfilter, gefiltert. Die Elemente 64, 65 sind in Serie an die Induktoren 25, 26 angeschlossen. Sie erlauben die Schwächung der Wellung und die Erreichung eines Schein-Gleichstroms bei den Rotorscheiben, um die Verluste an Wirbelstrom zu begrenzen.

Die Schalter 62, 63, die Elemente 64, 65 und die Induktoren 26, 25 sind parallel angeschlossen. Das andere äußere Ende der Induktoren 25, 26 ist mit der Masse verbunden.

In allen als Referenz in den Fig. 7 bis 10 dargestellten Beispielen erlauben die durch das Regelungsmodul 40 ausgegebenen Signale mittels der Steuervorrichtung 50 die Anpassung der Wechselströme, die die Induktoren 25, 26 speisen, derart, daß die durch die Induktoren erzeugten Flüsse die sich ergebende Anziehungskraft außer Kraft setzen, die auf den Unterschied des Wertes zwischen den zwei Luftspalten der Maschine zurückzuführen ist.

Die vorangehende Beschreibung wurde für eine einen zwei Luftspalte definierenden Aufbau Rotor / Stator umfassende Maschine abgegeben. Dieser Aufbau kann aus einer Statorscheibe gebildet sein, die zwischen zwei Rotorscheiben plaziert ist oder aus einer Rotorscheibe, die zwischen zwei Statorscheiben plaziert ist. Wenn die Maschine mehrere Aufbauten Rotor / Stator umfaßt, muß das Verfahren auf jeden dieser Aufbauten angewendet werden, und man kann dann ebenso viele Vorrichtungen zum Ausgleich der magnetischen Anziehungskraft wie Aufbauten Rotor / Stator vorsehen. Man kann sie ebenfalls in zwei oder mehreren Unteraufbauten zusammenfassen, die geeignet sind, sich an die Angleichungsvorrichtungen, der Art, wie sie weiter oben beschrieben wurden, anzupassen.

Die nach den technischen Merkmaien eingefügten und in den Ansprüchen genannten Referenzzeichen haben die alleinige Aufgabe, das Verständnis derselben zu erleichtern und können auf keinen Fall die Erfindung auf die besonderen Ausbildungsarten beschränken, die soeben beschrieben wurden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Ausgleich der magnetischen Anziehungskräfte innerhalb einer elektrischen Maschine mit scheibenförmigem Aufbau, die wenigstens drei koaxial angeordnete und zwei Luftspalte (e1, e2) bildende Rotor und Statorscheiben (1, 6, 7) aufweist, wobei die Aussenscheiben (6, 7) einer anderen Bauart als derjenigen der Innenscheibe (1) sind, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht:

- für jeden der beiden Luftspalte (e1, e2) eine selbe den Wert des Luftspaltes darstellende Größe zum messen,

- die besagten Größen zu vergleichen und

- die Flüsse der Luftspalte (e1, e2) zu verändern, um den Wert der beiden Luftspalte anzugleichen und somit die besagten Anziehungskräfte auszugleichen.

2. Ausgleichungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüße der Luftspalte verändert werden, in dem man die Statorflächen in unabhängiger Weise speist.

3. Ausgleichungsverfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Statorflächen über jeweils eine Fläche der Statorscheibe (1) zugeordnete Wandler (85, 86) durchgeführt wird.

4. Ausgleichungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüße der Luftspalte verändert werden, indem man einen zusätzlichen Fluß im Bereich jedes Luftspaltes (e1, e2) erzeugt.

5. Ausgleichungsverfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Fluß durch in wenigstens einem Induktor (25, 56; 26, 55) fließende Ströme erzeugt wird.

6. Ausgleichungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wert des Luftspaltes darstellende Größe eine elektromagnetische Größe, insbesondere der Polfluß, der Zwischenpolfluß oder die Induktion ist.

7. Ausgleichungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wert des Luftspaltes darstellende Größe einer mechanische Größe, insbesondere die mechanische Verformung der Scheiben oder die relative Verschiebung zwischen der Rotorscheibe und der Statorscheibe ist.

8. Vorrichtung zur Ausgleichung der magnetischen Anziehungskräfte innerhalb einer elektrischen Maschine mit scheibenförmigem Aufbau, die wenigstens drei koaxial angeordnete und zwei Luftspalte (e1, e2) bildende Rotor und Statorscheiben (1, 6, 7) aufweist, wobei die Aussenscheiben (6, 7) einer anderen Bauart als derjenigen der Innenscheibe (1) sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

- für jeden Luftspalt (e1, e2), ein an einer Fläche der den besagten Luftspalt bildenden Scheiben (1; 6, 7) angeordnetes Mittel (19, 20) zur Messung einer dem Wert des besagten Luftspaltes darstellenden Größe, wobei die besagte Größe dieselbe für die beiden Messmittel (19, 20) ist, und

- eine Steuereinheit (30, 80), deren Eingänge (21, 22; 81, 82) mit den besagten Messmitteln (19, 20) verbunden sind und deren Ausgänge (23, 24; 83, 84) mit Angleichungsmitteln (25, 55; 26, 56; 85, 86) verbunden sind, wobei die Ausgangssignale der Steuereinheit (30; 80) die besagten Angleichungsmittel derart steuern, daß sie die Flüße zwischen den Luftspalten (e1, e2) angleichen und somit die besagten Anziehungskräfte ausgleichen.

9. Ausgleichungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Angleichungsmittel durch jeweils einer Fläche der Statorscheibe (1) zugeordnete Wandler (85, 86) gebildet sind.

10. Ausgleichungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Angleichungsmittel durch wenigstens einen an einer Fläche der einen den besagten Luftspalt bildenden Scheibe (1; 6, 7) angeordneten Induktor (25, 55; 26, 56) für jeden Luftspalt gebildet werden.

11. Ausgleichungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß gewisse Induktore (25, 26) Wicklungen (13, 14) der Rotorscheibe(n) (6, 7) sind.

12. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (30) umfaßt

- einen am Eingang die von den Messmitteln (19, 20) ausgesandten Signale empfangenden Regelungsmodul (40) und

- einen mit einer Stromspeisevorrichtung (70) und mit den besagten Induktoren (25, 55; 26, 56) verbundenen Steuermodul (50), wobei der Regelungsmodul (40) ein Signal an den Steurungsmodul (50) abgibt, um den von der Speisevorrichtung (70) herkommenden Strom in die besagten Induktore umzuleiten.

13. Ausgleichungsvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelungsmodul (40):

- Mittel (45), um die von den Messmitteln (19, 20) herkommenden Signale in kontinuierliche Signale umzuwandeln,

- mit einer Vorrichtung (49) zur integralen Regelung verbundene Mittel (48) zum Vergleich der besagten kontinuierlichen Signale umfaßt.

14. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Messmittel (19, 20) durch wenigstens eine Windung (20a, 20c; 20b, 20d) gebildet wird.

15. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Messmittel (19, 20) durch wenigstens einen Halleffektmesswertgeber gebildet wird.

16. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Messmittel (19, 20) durch wenigstens einen Wirbelstromverschiebungsgeber gebildet wird.

17. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Messmittel (19, 20) durch wenigstens ein Dehnungsmessgerät gebildet wird.

18. Ausgleichungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Sicherheitssystem (60) umfaßt, daß einen Alarm oder eine Notauschaltung der Maschine erzeugt, wenn der Ausgangswert der Vergleichsmittel größer als ein bestimmter Schwellenwert ist.







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