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Title:
ROTATING TRANSFORMER FOR SUPPLYING THE FIELD WINDING IN A DYNAMOELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/102987
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rotating transformer that is suitable in particular for supplying current to the excitation winding of a synchronous machine. A stationary primary winding arrangement (3) is fed by an alternating voltage source (4). A secondary winding arrangement (2) is attached to a rotor (1), which secondary winding arrangement is inductively coupled with the primary winding arrangement. In order to enable a simple installation, the primary winding arrangement comprises at least two primary windings (32), which each extend over a predetermined sector relative to the direction of rotation of the rotor. It thus becomes possible to install the primary windings separately and to arrange the device in a space-saving manner in areas of a dynamoelectric machine otherwise remaining unused.

Inventors:
SAFARI ZADEH, Hossein (Högernweg 29, Othmarsingen, CH-5504, CH)
Application Number:
EP2010/052940
Publication Date:
September 16, 2010
Filing Date:
March 09, 2010
Export Citation:
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Assignee:
ALSTOM Technology Ltd. (Brown Boveri Str. 7, Baden, CH-5400, CH)
SAFARI ZADEH, Hossein (Högernweg 29, Othmarsingen, CH-5504, CH)
International Classes:
H02K19/28; H01F38/18
Domestic Patent References:
WO2002013361A1
WO1995026069A1
Foreign References:
DE102004028595A1
DE102006057150A1
US6483218B1
US3758845A
EP1708342A2
Other References:
R. MECKE; C.RATHGE: 'High frequency resonant inverter for contactless energy transmission over large air gap' IEEE 35TH ANNUAL POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE (PESC) Bd. 3, 2004, Seiten 1737 - 1743
Attorney, Agent or Firm:
ALSTOM Technology Ltd. (CHTI Intellectual Property, Brown Boveri Str. 7/664/2, Baden, CH-5401, CH)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator zu einem Rotor (1), wobei die Vorrichtung aufweist: eine Wechselspannungsquelle (4) zur Erzeugung einer Wechselspannung; einen Stator (5) mit einer Primärwicklungsanordnung (3), die elektrisch von der Wechselspannungsquelle (4) gespeist ist; sowie einen Rotor (1) mit einer Sekundärwicklungsanordnung (2), die induktiv mit der Primärwicklungsanordnung (3) gekoppelt ist, wobei der Rotor (1) um eine Rotationsachse (11) drehbar angeordnet ist und eine Drehrichtung definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungsanordnung (3) mindestens zwei Primärwicklungen (32; 32') aufweist, die nicht von der Rotationsachse (11) des Rotors (1) durchsetzt sind, wobei sich jede der Primärwicklungen (32; 32') über einen vorbestimmten Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors (1) erstreckt, und wobei die Primärwicklungen (32; 32') bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') auf einem eigenen magnetischen Kern (31; 31 ') angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der magnetische Kern (31; 31 ') eine Mehrzahl von Kernsegmenten (311, 312) umfasst, wobei sich jedes dieser Kernsegmente (311, 312) über einen Teil des Sektors der zugeordneten Primärwicklung (32; 32') erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklungen (32; 32') gleiche Dimensionen aufweisen und bezüglich der Drehrichtung gleichmässig verteilt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') eine Fläche einschliesst, deren Flächennormale im Wesentlichen in eine radiale Richtung weist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklungsanordnung (3) in einem Bereich angeordnet ist, der die Sekundärwicklungsanordnung (2) radial umgibt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Primärwicklungen (32; 32') einen Teil eines resonanzfähigen Schwingkreises bildet, und wobei die Wechselspannungsquelle (4) dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich einer Resonanz des Schwingkreises zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannungsquelle (4) dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz von 400 Hz oder mehr zu erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) mindestens zwei Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") aufweist, wobei sich jede Sekundärwicklung (22; 22'; 22") über einen vorbestimmten Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors (1) erstreckt, und wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") gleiche Dimensionen aufweisen und in Drehrichtung gleichmässig verteilt angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungen (22; 22'; 22") auf einem gemeinsamen Kern (21; 21 '; 21 ") angeordnet sind, der den Rotor (1) auf seiner Aussenseite umgibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kern (21; 21', 21") mindestens ein in Umfangsrichtung um den Rotor (1) gewickeltes Blech umfasst.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) mit einer Gleichrichtereinrichtung (4) verbunden ist, um eine in der Sekundärwicklungsanordnung induzierte Sekundärspannung gleichzurichten.

14. Dynamoelektrische Maschine mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamoelektrische Maschine mindestens eine mit dem Rotor (1) verbundene Erregerwicklung (12) zur Erzeugung eines mit dem Rotor (1) rotierenden magnetischen Feldes sowie eine mit dem Rotor verbundene Gleichrichtereinrichtung (24) aufweist, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) elektrisch mit der Gleichrichtereinrichtung (24) verbunden ist, um eine in der Sekundärwicklungsanordnung (2) induzierte Sekundärspannung gleichzurichten, und wobei die Gleichrichtereinrichtung (24) elektrisch mit der Erregerwicklung (12) verbunden ist, um die Erregerwicklung mit der gleichgerichteten Sekundärspannung zu speisen.

15. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 14, die einen mit dem Rotor (1) verbundenen Ventilator (6) aufweist, wobei die Sekundärwicklungsanordnung (2) in einem Bereich des Rotors (1) angeordnet ist, der bezüglich der axialen Richtung zwischen der Erregerwicklung (12) und dem Ventilator (6) liegt.

Description:
TITEL

Rotierender Transformator zur Versorgung der Feldwicklung in einer dynamoelektrischen Maschine

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator zu einem Rotor. Eine derartige Vorrichtung wird auch als rotierender Transformator bezeichnet. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine dynamoelektrische Maschine, die mit einem derartigen rotierenden Transformator ausgestattet ist.

STAND DER TECHNIK

Als Synchronmaschinen aufgebaute elektrische Generatoren weisen auf dem Rotor (Läufer) eine oder mehrere Erregerwicklungen (Feldwicklungen) auf. Bei einer Erregerwicklung handelt es sich um eine Leiteranordnung, die im Betrieb ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das mit dem Rotor mitrotiert, um in den Wicklungen des Stators (Ständers) eine Wechselspannung zu induzieren. Um die rotierende Erregerwicklung mit Strom zu versorgen, können Bürsten und Schleifringe vorhanden sein. Diese sind allerdings anfällig für Verschleiss. Daher wird häufig ein sogenannter bürstenloser Erreger vorgesehen, bei dem ein als Aussenpolgenerator ausgeführter Hilfsgenerator vorhanden ist, der die Erregerwicklung des eigentlichen Generators mit Strom versorgt. In diesem Hilfsgenerator rotiert eine auf dem Rotor angebrachte Läuferwicklung in einem im Stator erzeugten statischen Magnetfeld. Die in der Läuferwicklung des Hilfsgenerators erzeugte Spannung steht nach entsprechender Gleichrichtung zur Versorgung der Erregerwicklung des eigentlichen Generators zur Verfügung. Ein solcher Hilfsgenerator benötigt jedoch verhältnismässig viel Platz.

In WO 95/26069 wurde daher vorgeschlagen, statt eines Hilfsgenerators einen rotierenden Transformator zur Übertragung elektrischer Energie vom Stator auf den Rotor einzusetzen.

Der dort vorgeschlagene rotierende Transformator umfasst zwei konzentrisch um die

Drehachse gewickelte Spulen, die sich axial entlang der Drehachse gegenüberstehen.

Aufgrund dieser Konstruktion kann der rotierende Transformator in der Praxis nur am

Ende der Rotorwelle angeordnet werden, was die Konstruktionsfreiheit erheblich einschränkt, so dass diese Lösung insbesondere für grosstechnisch einzusetzende

Generatoren wenig geeignet ist.

Auch in US 6,483,218 wurde eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen rotierenden Transformator vorgeschlagen. Hier umfasst der Transformator ebenfalls zwei um die Rotorachse gewickelte, konzentrische Wicklungen, wobei die Primärwicklung radial ausserhalb der Sekundärwicklung angeordnet ist und diese teilweise umgibt. Auch diese Anordnung schränkt aber die möglichen Bauformen der dynamoelektrischen Maschine stark ein. Zudem muss bei der Montage eine ganz bestimmte Reihenfolge eingehalten werden.

In US 3,758,845 wurde ein rotierender Transformator für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei dem auf einer Aussenfläche des Rotors eine flache, rechteckige Sekundärwicklung angebracht ist, die einer entsprechenden Primärwicklung radial gegenübersteht. Dieser Transformator ermöglicht zwar eine einfache Montage und ermöglicht flexible Bauformen für eine damit ausgestattete dynamoelektrische Maschine, ist jedoch konstruktionsbedingt nur für die Übertragung kleiner Signale geeignet. Zudem ist die übertragbare Leistung stark von der aktuellen Rotorstellung abhängig.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Stator auf einen drehbaren Rotor anzugeben, die platzsparend ausgestaltet werden kann, die einfach zu montieren ist, und die eine Übertragung grosserer Leistungen mit geringerer Drehwinkelabhängigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Es wird also eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie vom einem Stator zu einem Rotor angegeben, welche aufweist: eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung einer Wechselspannung; - einen Stator mit einer Primärwicklungsanordnung, die elektrisch von der

Wechselspannungsquelle gespeist ist; sowie einen Rotor mit einer Sekundärwicklungsanordnung mit einer oder mehreren Sekundärwicklungen, die induktiv mit der Primärwicklungsanordnung gekoppelt sind, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar angeordnet ist und eine Drehrichtung definiert.

Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Primärwicklungsanordnung mindestens zwei, bevorzugt drei oder mehr, Primärwicklungen umfasst, die nicht von der Drehachse des Rotors durchsetzt sind, wobei sich jede der Primärwicklungen über einen vorbestimmten Sektor (Winkelbereich) bezüglich der Drehrichtung des Rotors erstreckt, und wobei die Primärwicklungen bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

Der Terminus mindestens zwei Primärwicklungen soll auch eine Ausführungsart einer aus zwei Hälften bestehenden Spule umfassen, welche bei einer Montage miteinander verbunden werden und danach eine Windung bilden. Vorzugsweise erstreckt sich jede Primärwicklung über einen Sektor von höchstens 180°, und die Primärwicklungen sind nicht überlappend und insbesondere bezüglich der Drehrichtung hintereinander angeordnet.

Indem mindestens zwei getrennte Primärwicklungen ausgebildet sind, die nicht von der Rotorachse durchsetzt werden, ist es einerseits möglich, die Primärwicklungen getrennt voneinander zu montieren und somit den Transformator an Orten vorzusehen, an denen eine Montage eines Transformators mit koaxialen Wicklungen nicht möglich wäre. Insbesondere braucht der Transformator nicht an einem Ende des Rotors angeordnet zu sein, wie dies bei Lösungen aus dem Stand der Technik der Fall ist. Gegenüber einem Hilfsgenerator ist zudem der Platzbedarf deutlich geringer, so dass der Rotor nicht unnötig verlängert zu werden braucht. Hierzu trägt insbesondere auch bei, dass ein Transformator mit verhältnismässig hohen Frequenzen betreibbar ist, was eine hohe Leistungsdichte ermöglicht. Andererseits ist eine gleichmässige Übertragung auch höherer Leistungen dadurch gewährleistet, dass nicht nur eine einzige Primärwicklung vorhanden ist, sondern dass mehrere derartige Primärwicklungen über den Umfang verteilt angeordnet sind.

Unter einer Wicklung ist im vorliegenden Zusammenhang eine beliebige schleifenartige Leiteranordnung zu verstehen, die geeignet ist, von einem Strom durchflössen zu werden und dabei ein magnetisches Feld zu erzeugen bzw. die geeignet ist, von einem magnetischen Fluss durchsetzt zu werden und aufgrund von Änderungen dieses Flusses eine induzierte Spannung abzugeben. Eine Wicklung kann dabei traditionell als Drahtspule mit einer oder mehreren Windungen ausgestaltet sein. Sie kann aber auch z.B. aus einer einzigen Leiterschleife bestehen und/oder aus Metallstäben, -bändern oder hohlen Leitern aufgebaut sein, welche zwecks Kühlung von Wasser oder Gas durchströmbar sind.

Vorzugsweise ist jede der Primärwicklungen auf einem separaten magnetischen Kern angeordnet. Auf diese Weise werden Streuverluste minimiert, und es wird ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Indem jeder Primärwicklung ein separater Kern zugeordnet ist, lässt sich jede Primärwicklung auf einfache Weise zusammen mit ihrem Kern separat montieren. Der Kern kann dabei je nach den konkreten Anforderungen verschiedene Formen aufweisen. Insbesondere kann der Kern im Querschnitt ein E-förmiges Profil, ein U-förmiges Profil oder im einfachsten Fall ein I-förmiges Profil aufweisen.

Um die Fertigung zu erleichtern, kann der magnetische Kern eine Mehrzahl von separat gefertigten Kernsegmenten umfassen, wobei sich jedes dieser Kernsegmente lediglich über einen Teil des Sektors (einen Teilwinkelbereich) der zugeordneten Primärwicklung erstreckt. Dies ist deswegen möglich, weil bei der hier vorgeschlagenen Ausbildung des Transformators kein nennenswerter magnetischer Fluss in der Umfangsrichtung (Drehrichtung) erfolgt und daher die unvermeidlichen Spalte zwischen den Kernsegmenten keine wesentlichen Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften des Kerns haben. Vorzugsweise weisen alle Primärwicklungen gleiche Dimensionen auf und sind vorzugsweise auch identisch aufgebaut. Um eine gleichmässige Energieübertragung zu gewährleisten, sind vorzugsweise mindestens drei Primärwicklungen vorhanden, und die Primärwicklungen sind bezüglich der Drehrichtung gleichmässig verteilt.

Die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung stehen sich vorzugsweise radial gegenüber, das heisst, die von den Wicklungen definierten bzw. eingeschlossenen Flächen weisen eine Flächennormale auf, die sich im Wesentlichen in die radiale Richtung erstreckt. Oder anders ausgedrückt, die Primär- und Sekundärwicklungen liegen vorzugsweise jeweils im Wesentlichen auf einer Kreiszylinderfläche. Nochmals anders ausgedrückt, überwindet das die Wicklungen durchsetzende Magnetfeld den Spalt zwischen Primär- und Sekundärkreis vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung, das heisst, die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklungsanordnung erfolgt im Wesentlichen radial. Es ist aber auch denkbar, dass die Primär- und die Sekundärwicklungsanordnung sich axial, beabstandet von der Drehachse, gegenüberstehen.

Jede Primärwicklung weist bevorzugt zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Abschnitte auf, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung (Drehrichtung) erstrecken und im Betrieb gegenläufig von Strom durchflössen sind, wobei die Länge dieser Abschnitte erheblich grösser als ihr Abstand ist, das heisst, die Wicklung weist eine entlang der Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung langgestreckte, gekrümmte Form auf. Hierdurch wird eine besonders schmale Bauweise des Transformators erreicht. Jedoch sind auch andere Wicklungsformen möglich.

Um Platz zu sparen, ist die Primärwicklungsanordnung bevorzugt in einem Bereich angeordnet, der die Sekundärwicklungsanordnung radial umgibt, und die Primär- und Sekundärwicklungsanordnungen sind vorzugsweise auf dem Umfang des Rotors angeordnet.

Der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Transformators lässt sich durch einen Betrieb in Resonanz erheblich verbessern. Dazu bildet vorzugsweise jede der Primärwicklungen einen Teil eines resonanzfähigen Schwingkreises, und die Wechselspannungsquelle ist derart ausgebildet, dass sie im Betrieb eine Wechselspannung mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich einer Resonanz des Schwingkreises erzeugt. Ein Beispiel eines resonant betriebenen Transformators ist z.B. in dem folgenden Dokument angegeben: R. Mecke und C.Rathge, High frequency resonant inverter for contactless energy transmission over large air gap, IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC), 2004, Volume 3, pp. 1737-1743. Hierbei kann jede Primärwicklung Teil eines separaten Schwingkreises sein, oder mehrere oder alle Primärwicklungen können zu einem einzigen Schwingkreis zusammengeschaltet sein.

Die Arbeitsfrequenz des Transformators liegt vorzugsweise im mittel- bis hochfrequenten Bereich, insbesondere im Bereich oberhalb von ca. 400 Hz. Die Wechselspannungsquelle ist dementsprechend dazu ausgebildet, eine Wechselspannung mit einer solchen

Arbeitsfrequenz zu erzeugen und kann z.B. durch einen entsprechend betriebenen Inverter oder Frequenzumrichter gebildet sein. Geeignete Wechselspannungsquellen sind aus dem

Stand der Technik bekannt. Bevorzugt beträgt die Arbeitsfrequenz ca. 1 kHz bis 20 kHz, sie kann diesen Bereich aber auch übersteigen und beispielsweise 50 kHz oder mehr erreichen. Die Wahl der Arbeitsfrequenz erfolgt unter anderem in Abhängigkeit von den

Verlusteigenschaften der verwendeten magnetischen Kerne.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind nicht nur eine Mehrzahl von Primärwicklungen vorhanden, sondern auch die Sekundäranordnung weist mindestens zwei

Sekundärwicklungen auf, wobei sich jede Sekundärwicklung über einen vorbestimmten

Sektor bezüglich der Drehrichtung des Rotors erstreckt, und wobei die

Sekundärwicklungen bezüglich der Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

Dies ermöglicht es insbesondere, den Rotor bezüglich möglicher Unwuchten kompensiert zu konstruieren. Insbesondere können mehrere Sekundärwicklungen gleicher Dimensionen und vorzugsweise auch gleichen Aufbaus gleichmässig in Umfangs- bzw. Drehrichtung verteilt angeordnet sein.

Ein besonders eleganter und einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Sekundärwicklungen auf einem gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet sind, der den Rotor auf seiner radialen Aussenseite (auf seinem Umfang) umgibt. Dieser kann mindestens ein in Umfangsrichtung um den Rotor gewickeltes Blech umfassen. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Generator in Form einer Synchronmaschine, deren Erregerwicklung durch eine Vorrichtung zur Energieübertragung, wie sie vorstehend angegeben wurde, gespeist wird. Die dynamoelektrische Maschine umfasst dazu mindestens eine mit dem Rotor verbundene Erregerwicklung zur Erzeugung eines mit dem Rotor rotierenden magnetischen Feldes und mindestens eine mit dem Rotor verbundene Gleichrichtereinrichtung. Die Sekundärwicklungsanordnung ist elektrisch mit der Gleichrichtereinrichtung verbunden, um die in der Sekundärwicklungsanordnung induzierte Sekundärspannung gleichzurichten, und die Gleichrichtereinrichtung ist elektrisch mit der Erregerwicklung verbunden, um die Erregerwicklung mit der gleichgerichteten Sekundärspannung zu speisen.

Die dynamo elektrische Maschine kann ausserdem einen mit dem Rotor verbundenen Ventilator aufweisen. Um Platz zu sparen, kann dann die Sekundärwicklungsanordnung in einem Bereich des Rotors angeordnet sein, der bezüglich der axialen Richtung zwischen der Erregerwicklung und dem Ventilator liegt.

Die vorgeschlagene Erregerstromversorgung erlaubt eine grosse Flexibilität in der Speisung des Erregers. So ist es insbesondere möglich, dass die dynamoelektrische Maschine zwei oder mehr Erregerwicklungen aufweist, die separat von unterschiedlichen Sekundärwicklungen gespeist werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen rotierenden Transformator gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Primärwicklungsanordnung des rotierenden Transformators der Fig. 1; Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines einzelnen Segments der

Primärwicklungsanordnung; Fig. 4 eine Illustration der Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden

Segmenten; Fig. 5 ein elektrisches Schaltschema für einen rotierenden Transformator mit zwei

Primärwicklungen und vier Sekundärwicklungen; Fig. 6 eine schematische Illustration der Anordnung eines rotierenden

Transformators zwischen Rotorkappe und Ventilator;

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen rotierenden Transformator gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Illustration eines auf einen Rotor gewickelten Kerns für die

Sekundärwicklungsanordnung eines rotierenden Transformators gemäss einer dritten Ausführungsform;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Rotors mit Kern und darauf angeordneten Sekundärwicklungen; sowie

Fig. 10 eine schematische Darstellung der vollständigen Sekundärwicklungsanordnung mit Kern, Sekundärwicklungen und Endringen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Fig. 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Ein Rotor 1, der in der Fig. 1 nur sehr schematisch angedeutet ist, ist um eine Drehachse 11 drehbar gelagert. Entlang seines Umfangs befindet sich ein drehbarer Transformator mit einer Primärseite 3 und einer Sekundärseite 2. Die Sekundärseite 2 ist am Umfang des Rotors 1 befestigt und rotiert mit diesem mit, während die Primärseite 3 ortsfest ist. Die Primärseite 3 wird von einer Wechselspannungsquelle 4 in Form eines Inverters oder Umrichters mit einer Primärspannung im mittelfrequenten Bereich (ca. 2 kHz bis 50 kHz) gespeist.

Die Sekundärseite 2 umfasst einen magnetischen Kern 21, der in an sich bekannter Weise aus Eisenblechen aufgebaut ist, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Der magnetische Kern 21 weist im Querschnitt ein E-förmiges Profil auf, welches zwei sich in Umfangsrichtung (Drehrichtung) erstreckende, zur radialen Aussenseite hin offene, parallele Nuten definiert. In diese Nuten sind Sekundärwicklungen 22 eingelegt. Mehrere identische Sekundärwicklungen 22 sind über den Umfang des Rotors verteilt hintereinander angeordnet, wobei sich jede dieser Sekundärwicklungen 22 lediglich über einen bestimmten Sektor (Winkelbereich) des Umfangs erstreckt. Hierzu ist der Kern 21 bezüglich der Drehrichtung mehrfach mindestens so weit unterbrochen, dass die Sekundärwicklungen 22 im Bereich dieser Unterbrechungen geschlossen werden können. Statt eines mehrfach unterbrochenen Kerns 21 können auch mehrere getrennte Kerne 21 vorhanden sein, wobei jeder Sekundärwicklung 22 ein eigener Kern 21 zugeordnet ist. Die Sekundärwicklungen 22 schliessen jeweils eine gekrümmte Fläche ein, deren Flächennormale überall radial nach aussen weist. Um eine gute Balance des Rotors 1 zu erzielen, sind vorzugsweise mindestens drei Sekundärwicklungen 22 gleichmässig über den Umfang verteilt.

Die Sekundärwicklungen 22 sind über nur schematisch angedeutete Leitungen 23 mit einer ebenfalls nur schematisch angedeuteten Gleichrichtereinrichtung 24 verbunden, wie sie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, um die in den Sekundärwicklungen 22 induzierte Sekundärspannung gleichzurichten. Der Ausgang der Gleichrichtereinrichtung 24 ist mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Erregerwicklungsanordnung verbunden, die ebenfalls auf dem Rotor 1 angeordnet ist, und speist die Erregerwicklungen mit der gleichgerichteten Sekundärspannung.

In den Figuren 2 bis 4 ist eine mögliche Ausführungsform für die Primärseite näher illustriert. Die Primärseite ist aus drei identischen Segmenten aufgebaut, die gleichmässig über den Umfang des Rotors verteilt sind und radial ausserhalb der Sekundärwicklungen in einem Bereich angeordnet sind, der die Sekundärwicklungen umgibt. Jedes dieser Segmente umfasst einen magnetischen Kern 31, welcher ein Profil mit E-förmigem Querschnitt aufweist und dadurch zwei parallele, sich entlang der Umfangsrichtung erstreckende und radial nach innen hin offene Nuten definiert. In die beiden Nuten jedes Segments ist eine Primärwicklung 32 eingelegt.

Jede Primärwicklung 32 besteht im vorliegenden Beispiel aus vier Windungen (vgl. Fig. 1), kann aber selbstverständlich auch mehr oder weniger Windungen, im Extremfall nur eine einzige Windung umfassen. Sie weist eine langgestreckte, im Wesentlichen rechteckig-gekrümmte Grundform auf, wobei die langen Seiten des Rechtecks entlang der Umfangsrichtung verlaufen und in die Nuten des Kerns 31 eingelegt sind, während die kurzen Seiten diese beiden langen Seiten in der axialen Richtung verbinden und ausserhalb des Kerns 31 verlaufen. Insgesamt resultiert so eine bezüglich der axialen Richtung sehr schmale Bauform jedes Segments. Die von der Primärwicklung 32 eingeschlossene gekrümmte Fläche weist eine Flächennormale auf, die überall in die radiale Richtung weist, d.h. die Primärwicklungen stehen den Sekundärwicklungen radial gegenüber, die Polflächen der Kerne der Primär- und Sekundärseite weisen in die radiale Richtung, und der magnetische Fluss zwischen Primär- und Sekundärseite überwindet den Spalt zwischen diesen Polflächen im Wesentlichen in radialer Richtung.

Der magnetische Kern 31 besteht selbst wiederum aus einer Vielzahl von Kernsegmenten 311, 312. Jedes dieser Kernsegmente 311, 312 weist einen U- förmigen Querschnitt auf und ist in üblicher Weise aus Blechen gebildet, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Jeweils zwei Kernsegmente 311, 312 sind in axialer Richtung nebeneinanderliegend angeordnet, so dass ein solches Paar von Segmenten insgesamt einen E-förmigen Querschnitt bildet. Eine Mehrzahl dieser E-förmigen Paare ist in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, um so den gesamten magnetischen Kern der Primärseite zu bilden.

Wird hierbei auf kommerziell verfügbare Standardteile zurückgegriffen, so können dabei, wie insbesondere in der Fig. 4 erkennbar ist, zwischen benachbarten Kernsegmentpaaren 311, 312 in Umfangsrichtung aufgrund der Krümmung Lücken auftreten. Diese sind jedoch für die Funktionsweise des Transformators nicht kritisch, da die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen der U-Form jedes einzelnen Kernsegments folgen und somit kein nennenswertes Magnetfeld in der Umfangsrichtung wirkt. Dadurch braucht der magnetische Fluss die Spalte zwischen aufeinanderfolgenden Kernsegmenten in der Praxis nicht zu überwinden, so dass diese Spalte für die Funktionsweise ohne nennenswerten Einfluss bleiben. Jedoch wird eine lückenlose Anordnung der Kernsegmente 311, 312 bevorzugt, was durch eine der Krümmung des Stators angepasste Ausformung der Kernsegmente 311, 312 erreicht wird.

Der Kern 31 mit der darin eingelegten Primärwicklung 32 ist durch eine als Gehäuse wirkende Halterung 33 fixiert. Die Halterung 33 umfasst zwei teilschalenförmige Hälften, die axial nebeneinanderliegend angeordnet sind. Durch Schrauben 34, die der besseren Übersichtlichkeit halber nur in der Fig. 1 dargestellt sind, werden die beiden Hälften axial zusammengehalten und üben in axialer Richtung eine Klemmkraft auf den Kern 31 aus. An ihren Enden weist die Halterung jeweils Verbindungsflansche 37 auf, deren Flächennormale in Umfangsrichtung weist, wobei sich die Verbindungsflansche 37 benachbarter Halterungen entlang der Umfangsrichtung gegenüberstehen und durch nur in der Fig. 4 dargestellte Schrauben 38 miteinander verbunden sind.

Ein schematisches elektrisches Schaltbild für einen erfindungsgemässen Transformator ist in der Fig. 5 gezeigt. Im Beispiel der Fig. 5 weist die Primärseite 3 lediglich zwei Primärwicklungen 32 auf. Die Sekundärseite 2 weist in diesem Beispiel vier Sekundärwicklungen 22 auf, welche jeweils mit drei Anschlüssen versehen sind. Die Sekundärwicklungen 22 sind über einen gemeinsamen magnetischen Kern 21 der Sekundärseite und Kerne 31 der Primärseite induktiv mit den Primärwicklungen 32 gekoppelt. Die Mittenanschlüsse der Sekundärwicklungen 22 sind miteinander verbunden und bilden einen ersten Pol eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 25. Die beiden anderen Anschlüsse der Sekundärwicklungen 22 sind über Dioden, die gemeinsam eine Gleichrichteranordnung 24 bilden, mit dem zweiten Pol des Zwischenkreises 25 verbunden. Aus diesem Zwischenkreis 25 wird die hier nicht dargestellte Erregerwicklung gespeist.

Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen und Verluste zu minimieren, wird das System vorzugsweise in Resonanz betrieben. Hierzu ist jede der beiden Primärwicklungen 32 durch eine Kapazität 36 zu einem Schwingkreis ergänzt, dessen Resonanzfrequenz in bekannter Weise durch die Induktivität der Primärwicklung 32 und die Kapazität 36 gegeben ist. Die in der Fig. 5 nicht dargestellte Wechselspannungsquelle, mit welcher der so vervollständigte Primärkreis versorgt wird, ist mit ihrer Betriebsfrequenz auf diese Resonanzfrequenz abgestimmt, d.h. sie betreibt den Primärkreis in oder nahe der Resonanzfrequenz. Während in Fig. 5 ein Serienschwingkreis dargestellt ist, kann der Schwingkreis auch als Parallelschwingkreis oder, besonders bevorzugt, in einer Kombination aus in Serie und parallel geschalteten Kapazitäten ausgebildet sein. In der Fig. 6 ist illustriert, wie ein Transformator der hier vorgeschlagenen Art platzsparend zwischen einer sogenannten Rotorkappe 13 und dem Ventilator 6 eines elektrischen Generators angeordnet werden kann. Der hier nur teilweise und schematisch dargestellte Rotor 1 trägt eine in der Fig. 6 nur angedeutete Erregerwicklung 12, um ein mit dem Rotor 1 rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses erzeugt in nicht dargestellten Induktionspulen, die mit einem Stator 5 verbunden sind, eine induzierte Spannung. Der Bereich des Rotors 1, in dem die Erregerwicklung endet, ist mit der Rotorkappe 13 abgedeckt. In einem gewissen axialen Abstand zur Rotorkappe 13 schliesst sich entlang der Rotorwelle ein Ventilator 6 an. In diesem Bereich steht genügend Platz zur Verfügung, um einen rotierenden Transformator der vorstehend dargestellten Art mit Sekundärseite 2 und Primärseite 3, die beide hier nur sehr stark schematisiert angedeutet sind, unterzubringen.

Eine alternative Ausführungsform eines rotierenden Transformators ist in der Fig. 7 schematisch illustriert. Die Primärseite umfasst hier einen im Querschnitt U- förmigen magnetischen Kern 31 ', während der magnetische Kern 21 ' der Sekundärseite hier einen I- förmigen Querschnitt aufweist. Die Primärwicklung 32' besteht im vorliegenden Fall aus einer einzigen Leiterschleife, die aus einem flachen, hohlen Leiter gebildet ist. Dieser ist mit ebenfalls hohlen, nur schematisch angedeuteten Anschlussleitungen 35' versehen. Dies erlaubt es, eine Kühlflüssigkeit, z.B. Kühlwasser, durch den Leiter zu pumpen. Eine

Wechselspannungsquelle 4 in Form eines an sich bekannten Inverters oder Umrichters versorgt die Primärseite mit einer Primärspannung. Auch die Sekundärwicklungen 22' sind jeweils durch eine einzige Leiterschleife aus einem flachen, hohlen Leiter gebildet, welcher zur Kühlung von einem Gas durchströmbar ist. Die Sekundärwicklungen 22' sind wiederum mit einem rotorfesten Gleichrichter 24 verbunden, der hier nur schematisch angedeutet ist.

In den Figuren 8 bis 10 ist eine fertigungstechnisch vorteilhafte Variante für den Aufbau der Sekundärseite illustriert. Auf einen hier nur schematisch angedeuteten Rotor 1 wird ein magnetischer Kern 21 " aus einem Metallband gewickelt. Hierzu können an sich bekannte Bänder verwendet werden, insbesondere nanokristalline Kernbänder oder Fe-Si-Bänder, welche sich für eher niedrigere Arbeitsfrequenzen gut eignen. Auf den so gebildeten gemeinsamen Kern werden eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen 22" aufgebracht, welche hier nur stark schematisch angedeutet sind. Die Anschlüsse 23 dieser Wicklungen 22" sind in axialer Richtung herausgeführt und zur Oberfläche des Rotors hin nach radial innen abgeknickt ausgebildet. Abschliessend wird die Anordnung an ihren axialen Enden mit zwei umlaufenden Endringen 26a, 26b versehen, welche dazu dienen, die Sekundärwicklungsanordnung zu fixieren und die Streufelder weiter zu minimieren.

Es versteht sich von selbst, dass die vorstehende Beschreibung lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung illustriert und nicht dazu dient, die Erfindung einzuschränken. Insbesondere sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen der vorstehenden Ausführungsbeispiele möglich. So können z.B. eine oder mehrere der Sekundärwicklungen einzelne Erregerwicklungen getrennt speisen; hierzu können mehrere unabhängige Gleichrichteranordnungen vorgesehen sein. Die Sekundärwicklungen können, anders als in den vorstehenden Ausführungsbeispielen, auch überlappend angeordnet sein und insbesondere durch achsparallele Leiterstäbe gebildet sein, die mit Sammelringen verbunden sind, wie dies aus der EP 1 708 342 an sich bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch insbesondere, auf einfache Weise eine Hochstromversorgung für die Erregerwicklungen zu verwirklichen, welche hohe Ströme im Bereich von 20 kA oder mehr, insbesondere bis 100 kA, zulässt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Rotor 31, 31 ' Kern

11 Rotorachse 311, 312 Kernsegment

12 Feldwicklung 32, 32' Primärwicklung

13 Rotorkappe 33 Halterung

2 Sekundärseite 34 Schraube

21, 21 ', 21 " Kern 35, 35' Zuleitung

22, 22', 22 ' ' Sekundärwicklung 36 Kapazität

23 Leitung 37 Befestigungsflansch

24 Gleichrichtereinrichtung 38 Schraube

25 Zwischenkreis 5 Stator

26a, 26b Fixierring 6 Ventilator

3 Primärseite