Die Erfindung bezieht sich auf eine bürstenlose Synchron¬ maschine mit einer Erregermaschine, deren Felderreger-

( 5 wicklung über einen an eine gesonderte Hilfswicklung im * Stator der Hauptmaschine angeschlossenen Regler gespeist ist.

Eine als Generator eingesetzte derartige Synchronmaschine 10 ist beispielsweise aus der DE-OS 27 14 188 bekannt.

Bei einem derartigen Synchrongenerator ergibt sich das Problem, die Felderregerwicklung der Erregermaschine in allen Betriebszuständen hinreichend mit Energie zu ver-

15 sorgen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine

Hilfserregermaschine mit einem Dauermagnetpolrad zur Ver¬ sorgung der Erregermaschine vorgesehen ist. Um den Aufwand für die Versorgung der Erregermaschine zu redu-

20 zieren, ist außerdem die Möglichkeit bekannt, die Feld¬ erregerwicklung der Erregermaschine aus der Hauptmaschine zu speisen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Spannungen aus der Wicklung der Hauptmaschine abgeleitet und zusätzlich Stromtransformatoren angeschlossen, die

25 mit dem Belastungsstrom der Hauptmaschine gespeist sind. Durch eine solche Schaltungsanordnung wird die Erreger¬ maschine sowohl im Leerlauf als auch bei normaler Bela¬ stung und im Kurzschlußfall mit Energie versorgt.

30 Aus der DE-OS 27 14 188 ist außerdem die Möglichkeit be¬ kannt, eine zusätzliche Hilfswicklung im Stator der Hauptmaschine anzuordnen und mit der hieraus gewonnenen

I Energie über einen Regler die Erregermaschine zu versor¬ gen.

Hierbei tritt aber insbesondere im Kurzschlußfall ein Problem auf, wenn die Klemmenspannung des Generators und die Grundwelle des Feldes im Luftspalt annähernd ver¬ schwindet. In diesem Fall ist das den Luftspalt der Hauptmaschine durchsetzende Restmagnetfeld im wesentli¬ chen aus ungeradzahligen Oberwellenanteilen gebildet, von denen beispielsweise der Anteil der dritten Oberwelle bei der üblichen Ausbildung der Pole gewöhnlich besonders groß ist.

Durch eine Hilfswicklung lassen sich je nach deren Ge¬ staltung allerdings nicht alle Oberwellen zur Speisung der Erregerwicklung effektiv ausnutzen. Beispielsweise kann die relative Phasenlage der in den einzelnen Strän- gen induzierten WechselSpannungen für bestimmte Ober¬ wellen so ungünstig sein, daß die verkettete Spannung insgesamt zu gering für die Speisung der Erregermaschine ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ein¬ fache Hilfswicklung zu schaffen, mit der ein möglichst großer Anteil der energiereichen Oberwellen niedriger Ordnung, insbesondere die dritte Oberwelle effektiv zur Erzeugung einer VersorgungsSpannung für die Erregerma- schine ausgenutzt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfswicklung eine von der Ordnungszahl der im Kurz¬ schlußfall am stärksten ausgeprägten Oberwelle des Feldes der Hauptmaschine verschiedene Strangzahl aufweist.

Beispielsweise wird bei einer konventionellen Ausbildung der Pole eines 3-phasigen Synchrongenerators von einigen

MVA Leistung in einer vier- oder fünfsträngigen, jedoch

nur aus einer oder zwei Windungen bestehenden Hilfswick¬ lung durch die normalerweise stark ausgeprägte dritte Oberwelle in jedem Strang eine WechselSpannung induziert, deren verkettete Spannung ausreicht, um die Er- regermaschine auch im Kurzschlußfall ausreichend zu ver¬ sorgen. Es ergibt sich somit durch die erfindungsgemäße Konstruktion ein Minimum an Aufwand für die Hilfswicklung als Mittel zur Energieversorgung des Erregersystems.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, daß die Hilfswicklung vier- oder fünfsträngig, ins¬ besondere fünfsträngig ausgebildet ist.

Durch eine fünfsträngige Wicklung wird die dritte Ober- welle besonders wirksam ausgenutzt.

Auch eine größere Strangzahl der Hilfswicklung, bei¬ spielsweise sieben oder acht, kann vorteilhaft sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Stränge der Hilfswicklung in Stern¬ schaltung verbunden sind.

Hierdurch werden von vornherein die Probleme vermieden, die bei Polygon-Schaltung durch in den Strängen umlau¬ fende Ausgleichsströme bei ungünstiger Phasenlage der induzierten Spannungen auftreten können.

Die Erfindung kann auch dadurch vorteilhaft ausgestaltet werden, daß die Stränge der Hilfswicklung in Polygon- Schaltung verbunden sind und daß durch die räumliche Ver¬ teilung der Hilfswicklung und/oder die Formung der Läuferpole die Oberwelle, deren Ordnungszahl der Strangzahl der Hilfswicklung entspricht, unterdrückt ist.

Sind die einzelnen Stränge einer n-strängigen Hilfswick¬ lung in einer ein- oder mehrgängigen Polygon-Schaltung geschaltet, so ist bei der Konstruktion des Generators, insbesondere bei der Auslegung der Hilfswicklung und/oder der Polform, darauf zu achten, daß die n-te Oberwelle einen möglichst geringen Anteil liefert. Ansonsten würde diese Oberwelle bei einer n-strängigen Hilfswicklung in Polygon-Schaltung wegen der Phasengleichheit der in den Strängen erzeugten Wechselspannungen durch Ausgleichsströme unerwünschte zusätzliche Verluste innerhalb der Hilfswicklung erzeugen.

Die Erfindung kann außerdem dadurch ausgestaltet sein, daß die Stränge der Hilfswicklung jeweils Windungen mit unterschiedlichen Spulenweiten aufweisen.

Hierdurch kann einerseits im Normalbetrieb die Grund¬ welle, andererseits im Kurzschlußfall die ausgewählte Oberwelle optimal zur Energieversorgung des Erregerkrei- ses ausgenutzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Stränge der Hilfswicklung halbzahlige Windungszahlen aufweisen.

In diesem Fall sind die Anschlußenden der einzelnen Stränge auf verschiedenen Stirnseiten der Maschine ange¬ ordnet.

Durch diese Konstruktion ist die Erzeugung einer Spannung möglich, die zwischen den durch ganzzahlige Windungszah¬ len erzeugbaren Spannungen liegt. Es kann je nach Be¬ schaffenheit des Reglers der Erregermaschine und den

Randbedingungen der Maschine, notwendig sein, solche Zwischenwerte der Spannung dem Regler zuzuleiten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß einzelne Windungen der Hilfswicklung sich nicht über die gesamte Länge des Blechpaketes erstrecken, sondern teilweise in Luftschlitzen des Blechpaketes in tangentialer und/oder radialer Richtung verlegt sind.

Auf diese Weise können axial verkürzte Spulen und radial durch Lüftungsschlitze herausgeführte Anschlußenden im Blechpaket realisiert werden.

Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, daß Windun- gen der Hilfswicklung auf einem Teil ihrer axialen Länge mit einer ersten Spulenweite und auf dem Rest der Länge mit einer zweiten Spulenweite ausgeführt sind.

Auch diese Maßnahmen dienen dazu, entsprechend feinstufig angepaßte Zwischenspannungen zu erzeugen, die zwischen den durch ganzzahlige Windungszahlen erreichbaren Span¬ nungen liegen.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausge- staltet werden, daß die Hilfswicklung in den Nuten der Hauptwicklung am Nutgrund angeordnet ist.

Hierdurch läßt sich die Hilfswicklung vor Einbringen der Hauptwicklung innerhalb der Nuten leicht und zuverlässig befestigen.

Die Erfindung kann auch dadurch vorteilhaft ausgestaltet werden, daß die Hilfswicklung in den Nuten der Hauptwick¬ lung luftspaltseitig angeordnet ist.

Eine solche Hilfswicklung ist insbesondere bei fertigge¬ stellten Maschinen relativ einfach nachrüstbar.

Außerdem kann die Erfindung vorteilhaft dadurch ausge- staltet werden, daß jeweils die eine Spulenseite der Hilfswicklung jochseitig und die andere Spulenseite luftspaltseitig angeordnet ist.

Eine solche Gestaltung der Hilfswicklung ist insbesondere dann günstig, wenn die Spulenweite der Hilfswicklung im Vergleich zur Polteilung klein ist.

Hierdurch können die Nutzstreufelder der Hauptgenerator¬ wicklung als stromabhängige Komponente ausgenutzt werden. Dies ist hauptsächlich im Kurzschlußfall von Vorteil, da in diesem Fall die Streufeldstärken besonders groß sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Hilfswicklung besteht darin, das Ständerjoch wenigstens teilweise um- schließende Schleifen vorzusehen. Anstelle des Luftspalt¬ flusses wird dann der Jochfluß erfaßt.

Bei den vorgenannten Möglichkeiten, bei denen Teile der Windungen am Nutgrund liegen, ist, auf die relative Pha- senlage zwischen den vom Nutstreufeld und dem vom

Luftspaltfeld induzierten Spannungskomponenten zu achten.

Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, daß sich die Hilfswicklung in den Wickelkopfräum erstreckt, um insbesondere im Kurzschlußfall Stirnstreufelder auszu¬ nutzen.

Die einzelnen Stränge der Hilfswicklung können vorteil¬ haft auch unsymmetrisch am Umfang des Stators verteilt sein.

Durch eine solche, gegebenenfalls auch nicht phasenreine Anordnung, kann im Einzelfall beispielsweise die Hilfs¬ wicklung einer für ihre Strangzahl unpassenden Nutzahl der Hauptmaschine angepaßt werden und/oder es kann er¬ reicht werden, daß bestimmte Oberwellen besonders effek- tiv ausgenutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung gezeigt und anschließend erläutert.

Dabei zeigt

Figur 1A schematisch die Anordnung einer fünfsträngigen Hilfswicklung,

Figur 1B die Schaltung der Hilfswicklung zur Spannungs¬ versorgung der Erregermaschine, Figur IC schematisch die Anordnung einer fünfsträngigen Hilfswicklung mit Windungen, die unterschiedliche Spulen¬ weiten aufweisen,

Figur 2 eine dreisträngige Hilfswicklung mit einer sche¬ matischen Darstellung der Grundwelle (Figur 2A) sowie einer schematischen Darstellung der dritten Oberwelle (Figur 2B) ,

Figur 3 eine viersträngige Hilfswicklung, Figur 4 eine unsymmetrisch verteilte fünfsträngige Hilfs¬ wicklung, Figur 5 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens von Haupt- und Erregermaschine,

Figur 6 die Anordnung einer Windung der Hilfswicklung in einer Statornut.

Anhand von Figur 2 sei dargestellt, warum beispielsweise bei einer dreiphasigen Generator/-oder Motorwicklung mit drei Strängen durch eine dreisträngige Hilfswicklung, die dritte Oberwelle nicht zur Speisung der Erregermaschine ausgenutzt werden kann.

Mit U, V und W sind die Wicklungen der drei Stränge der Hilfswicklung bezeichnet.

In Figur 2A ist das idealisiert sinusförmige Grundfeld G eingezeichnet. Es ergeben sich für die drei Stränge in bekannter Weise drei um jeweils 120° gegeneinander pha¬ senverschobene Wechselspannungen (rechter Teil der Fig. 2A) .

In Figur 2B ist außer den Strängen der Hilfswicklung nur die dritte Oberwelle des Maschinenfeldes dargestellt. Es zeigt sich, daß in jedem der Wicklungsstränge der Hilfs¬ wicklung durch die dritte Oberwelle 03 eine Wechselspan- nung induziert wird, wobei die drei induzierten Spannun¬ gen phasengleich sind (rechter Teil der Fig. 2B) .

Das bedeutet, daß die verkettete Spannung zwischen den drei Wicklungssträngen gleich null ist. Durch eine derar- tige dreisträngige Hilfswicklung kann also die dritte Oberwelle des Grundfeldes nicht zur Speisung der Erre¬ germaschine ausgenutzt werden.

In den im folgenden beschriebenen Figuren bezeichnen die Zahlen jeweils die einzelnen Nuten, in die die Windungen der Hilfswicklung eingelegt sind. Die Buchstaben bezeich¬ nen die einzelnen Wicklungsstränge.

In Figur 1A ist eine fünfsträngige Hilfswicklung für ei¬ nen 10-poligen Generator mit 150 Statornuten dargestellt. Die Zahl der Windungen pro Strang beträgt jeweils 1,5, so daß die beiden Anschlüsse jedes Stranges jeweils an unterschiedlichen Enden der Maschine angeordnet sind. Da die Spulenweite der Polteilung entspricht, ist sowohl für die Grundwelle als auch für die dritte Oberwelle die volle Strangwindungszahl effektiv wirksam.

In Figur IC ist eine Hilfswicklung dargestellt, bei der jeder Strang aus zwei Windungen mit unterschiedlichen Spulenweiten besteht. Auf diese Weise wird gegenüber dem Beispiel aus Fig. 1A bei nahezu unveränderter effektiver Windungszahl für die Grundwelle jeweils eine deutlich vergrößerte effektive Windungszahl für die dritte Ober¬ welle erreicht. Die Phasenlage der Stränge der Hilfswick¬ lung ist in den Fällen der Figuren 1A und IC jeweils so¬ wohl für die Grundwelle, als auch die dritte Oberwelle gleich und zwar wie in Figur 1B dargestellt.

In Figur 1B ist in schematischer Weise die Verbindung der fünf Stränge mit einer Gleichrichterschaltung darge¬ stellt. Diese Schaltung liefert als verkettete Spannung aus den fünf Strängen eine relativ gleichmäßige 10-pul- sige Gleichspannung Ud, die als Speisespannung über einen Regler der Erregermaschine zugeführt wird. Die Hilfs¬ wicklung liefert sowohl im Normalbetrieb durch die Grundwelle, als auch im Kurzschlußfall durch die dritte Oberwelle die notwendige Mindestspannung. Beim Start des Generators wird die Anfangserregung der Hauptmaschine durch magnetische Remanenz sowohl in der Hauptmaschine als auch in der Erregermaschine erzeugt.

Figur 3 zeigt eine viersträngige Hilfswicklung, bei einer 10-poligen Maschine mit 120 Statornuten, wobei die vier Stränge in ähnlicher Weise geschaltet sein können, wie in Figur lb für eine fünfsträngige Hilfswicklung gezeigt. Die viersträngige Hilfswicklung liefert im allgemeinen eine stärker wellige (4-pulsige) Speisespannung Ud als eine Hilfswicklung mit mehr als vier Strängen, da die re¬ lative Phasenlage von jeweils zwei Strängen gleich ist (vgl. rechter Teil der Fig. 3) . Es kann aber beispiels- weise wegen der zur Verfügung stehenden Zahl der Nuten aus Symmetriegründen günstiger sein, eine viersträngige Hilfswicklung zu verwenden, als eine Hilfswicklung mit mehr als vier Strängen. Hier entspricht ebenfalls die Spulenweite der Polteilung und die effektive Windungszahl beträgt 1.

Figur 4 zeigt bei einer 10-poligen Maschine mit 120 Sta¬ tornuten, wie sie auch Fig. 3 zugrundeliegt, eine unsym¬ metrische fünfsträngige Hilfswicklung als vorteilhafte Alternativlösung. Die unsymmetrische Verteilung der fünf Stränge ist einerseits deshalb notwendig, weil die fünf¬ strängige Hilfswicklung in 120 Nuten nicht symmetrisch unterbringbar ist. Andererseits werden durch die gegen¬ über einer symmetrischen Anordnung unterschiedliche Phasenlage der einzelnen Strangspannungen die Grundwelle und die dritte Oberwelle effektiver ausgenutzt, als bei einer symmetrisch angeordneten Hilfswicklung gem. Fig. 3.

Die Phasendiagramme in der Fig. 4 zeigen, daß die relati- ve Phasenlage der Strangspannungen zueinander sowohl im Falle der Grundwelle (v=l) , als auch bei der dritten Oberwelle .

(V=3) günstiger zur Erzielung einer wenig welligen Gleichspannung ist.

Figur 5 zeigt, schematisch die Hauptmaschine 1 und die Erregermaschine 2. Die Hauptmaschine 1 weist in ihrem Stator drei Stränge 3, 4, 5 einer Hauptwicklung sowie 5 Stränge A, B, C, D, E der erfindungsgemäßen Hilfswicklung auf. Die Rotorwicklung 6 der Hauptmaschine ist konven¬ tionell aufgebaut.

Die Wicklung 6 des Rotors der Hauptmaschine wird aus der dreisträngigen Rotorwicklung 7 der Erregermaschine 2 über eine Gleichrichterschaltung 8 gespeist. Die Statorwick¬ lung 9 der Erregermaschine 2 wird aus den Strängen A, B, C, D, E der 5-phasigen Hilfswicklung der Hauptmaschine 1 über eine zweite Gleichrichterschaltung 10 und einen Spannungsregler 11 gespeist. Ein Kondensator 13 sorgt für die Glättung der aus der Gleichrichterschaltung 10 gelieferten VersorgungsSpannung Ud an den Regleran¬ schlußklemmen 12. Die von dem Regler 11 gelieferte Erre¬ gerspannung Ug ≤ Ud wird an den Klemmen 14 in die Stator¬ wicklung 9 der Erregermaschine 2 eingespeist.

Figur 6A zeigt im Querschnitt eine Nut 15 im Stator der Hauptmaschine, mit den Spulenseiten der zweischichtigen Hauptwicklung 16 und einer am Nutgrund untergebrachten Windung 17 der Hilfswicklung.

Figur 6B zeigt im Querschnitt eine Nut 18 im Stator der Hauptmaschine mit einer Hauptwicklung 19 und einer luftspaltseitig untergebrachten Windung 20 der Hilfswick¬ lung.