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Dokumentenidentifikation DE102006012215A1 20.09.2007
Titel Transversalflussmaschine und Turbomaschine mit derartiger Transversalflussmaschie
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Gründl, Andreas, Dr., 82319 Starnberg, DE;
Herrmann, Hubert, 85778 Haimhausen, DE;
Hoffmann, Bernhard, 82319 Starnberg, DE
DE-Anmeldedatum 16.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006012215
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse H02P 29/02(2006.01)A, F, I, 20060316, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02H 7/08(2006.01)A, L, I, 20060316, B, H, DE   H02P 6/12(2006.01)A, L, I, 20060316, B, H, DE   H02K 21/02(2006.01)A, L, I, 20060316, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einer Transversalflussmaschine hat der Läufer mehrere axial zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe, die aus Einzelmagneten mit in radialer Richtung abwechselnder magnetischer Orientierung gebildet sind. Der Ständer umgibt den Läufer unter Bildung eines Luftspaltes zumindest abschnittsweise konzentrisch. Der Läufer hat mehrere Ständerspulen, die koaxial zu den Permanent-Magnetringen orientiert sind. Eine Ständerspule hat jeweils zwei Anschlüsse und ist an ihrer dem Luftspalt zu dem Läufer hin zugewandten Seite von weichmagnetischen, ineinander greifenden Polen überragt, die den Permanent-Magnetringen des Läufers zugewandt sind. Die Pole fluchten jeweils mit einzelnen der Einzelmagnete. Eine zu steuernde aktive Blindleistungsquelle hat für jeweils eine Ständerspule zwei Anschlüsse, mit denen die jeweilige Ständerspule verbunden ist. Eine Überwachungsanordnung stellt bei einem Störfall in einer der Ständerspulen Ansteuersignale für die aktive Blindleistungsquelle bereit, so dass die zwei Anschlüsse der jeweiligen Ständerspule niederohmig miteinander verbunden sind. Die Transversalflussmaschine ist insbesondere als Startergenerator für eine Turbomaschine ausgebildet und dabei drehfest mit einer rotierenden Welle der Turbomaschine gekoppelt.

Beschreibung[de]

Als Generatoren für elektrische Leistung werden oft Synchrongeneratoren eingesetzt. Derartige Maschinen haben in der Ausgestaltung als Innenläufer eine Außenwicklung (Ständerwicklung), die ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Ein Polrad (Läufer) trägt zur Felderzeugung entweder Permanentmagnete oder eine Erregerwicklung. Bei diesen Drehfeldmaschinen ist die Läuferdrehzahl gleich der Drehfeldzahl. Der Ständer ist zur Verringerung der Wirbelstromverluste aus geschichteten, elektrisch voneinander isolierten Magneteisenblechen gebildet. Die Ständerwicklung ist in achsparallele Nuten, zwischen den radial nach innen weisenden Polen des Ständers eingelegt und verschaltet. Die bei der Bewegung des Läufers mit umlaufenden wechselnden Magnetfelder überwinden den Luftspalt zwischen Läufer- und Ständerpolen und schneiden die Ständerwicklungen. Dort wird aufgrund der sich mit jedem Läuferumlauf wechselnden Magnetfelder in jeder der Wicklungen eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz synchron zur Läuferdrehzahl ist. Durch geeignete Anordnung und Verschaltung der Ständerwicklungen kann die Synchronmaschine ein- oder mehrphasige Wechselspannung erzeugen. Die Wirkleistung wird im Generatorbetrieb durch den Polradwinkel bestimmt, der sich als Verdrehwinkel zwischen dem Läufer der belasteten Maschine und der unbelasteten Maschine ergibt. Wird der Verdrehwinkel zu groß, erhöht sich die Maschinendrehzahl stark und die Maschine kann durch die Fliehkraft der eigenen Bauteile zerstört werden. Sie muss in diesem Betriebszustand schnellstmöglich abgeschaltet und neu synchronisiert werden. Insbesondere beim Einsatz im Luftfahrtsektor ist der elektrische/mechanische Zugriff auf den Generator aus nahe liegenden Gründen nicht möglich. Außerdem sind dem elektromechanischen Wirkungsgrad von Synchronmaschinen nicht zuletzt wegen der Wicklungsköpfe Grenzen gesetzt.

Von ihrem Grundaufbau mit permanenterregten Synchronmaschinen verwandte Maschinen sind Transversalflussmaschinen, die im Gegensatz zu den normalen Maschinen mit Durchmesserwicklung eine Umfangswicklung haben. Der magnetische Fluss verläuft transversal (senkrecht) zur Drehebene. Ein Läufer hat mehrere axial zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe, bestehend aus Einzelmagneten. Diese sind in radialer Richtung orientiert mit abwechselnder magnetischer Richtung. Der Ständer hat eine oder mehrere Umfangswicklungen, die ineinander greifenden weichmagnetischen Polen umfasst sind. Wenn sich der Läufer relativ zum Ständer bewegt, wird durch jede Ständerspule ein magnetischer Wechselfluss geführt, der eine Generatorspannung induziert.

Die Entkopplung des magnetischen und elektrischen Kreises bei Transversalflussmaschinen erleichtert deren jeweilige Dimensionierung. Weiterhin entfallen die bei Synchronmaschinen üblichen sog. Wickelköpfe, die nicht zur Momenterzeugung beitragen. Nach dem Transversalflussprinzip arbeitende Maschinen können damit bauartbedingt erheblich weniger ohmsche Verluste aufweisen als ein von den magnetischen Schubkräften her vergleichbarer Longitudinalfluss-Motor. Dadurch wird eine viel feinere Polteilung möglich, woraus bereits bei kleiner Drehzahl ein großes Drehmoment und ein höherer Wirkungsgrad resultiert. Allerdings haben Transversalflussmaschinen einen aufwendigeren mechanischen Aufbau. Mit permanent erregten Maschinen lassen sich hohe Wirkungsgrade erzielen; die dazu einzusetzenden Dauermagneten sind allerdings kostenintensiv.

Die erwähnten Nachteile, sowohl der Synchron-, als auch der herkömmlichen Transversalflussmaschinen, mögen bei einigen Anwendungen noch hinnehmbar sein; im Luftfahrtsektor sind sie aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen inakzeptabel. Flugtriebwerke sind ständig steigenden Anforderungen unterworfen. Hier sind möglicherweise auftretende Fehlerfälle und Fehlersequenzen frühzeitig aufzudecken und Möglichkeiten zu deren Vermeidung entscheidend. Dazu trägt ein fehlertolerantes Design des Triebwerks sowie seiner Komponenten bei, das im Störfall keine großen Folgeschäden nach sich zieht.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Transversalflussmaschine bereitzustellen, die eine hohe inhärente Betriebsicherheit hat, und bei einem dennoch auftretenden Störfall in einen sicheren Zustand zu bringen ist (fail-safe).

Als Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung eine Transversalflussmaschine bei der ein Läufer mehrere axial zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe hat, die aus Einzelmagneten mit in radialer Richtung abwechselnder magnetischer Orientierung gebildet sind, der Ständer den Läufer unter Bildung eines Luftspaltes zumindest abschnittsweise konzentrisch umgibt und eine oder mehrere Ständerspulen hat, die koaxial zu den Permanent-Magnetringen orientiert sind, eine Ständerspule jeweils zwei Anschlüsse aufweist und an ihrer dem Luftspalt zu dem Läufer hin zugewandten Seite von ineinander greifenden Polen überragt ist, die den Permanent-Magnetringen des Läufers zugewandt sind und jeweils mit einzelnen der Einzelmagnete fluchten, einer zu steuernden aktiven Blindleistungsquelle, die für jeweils eine Ständerspule zwei Anschlüsse aufweist, mit denen die jeweilige Ständerspule verbunden ist, wenigstens einer Überwachungsanordnung, die bei einem Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen Ansteuersignale für die aktive Blindleistungsquelle bereitstellt, so dass die zwei Anschlüsse der jeweiligen Ständerspule niederohmig miteinander verbunden sind.

In dem Ständer ist bei einer Ausführungsform die Ständerspule zwischen zwei weichmagnetischen Ständerscheiben eingefasst, die an ihrem dem Luftspalt zu dem Läufer hin zugewandten Rand jeweils abwechselnd ineinander greifende Pole aufweisen. Auf der von dem Luftspalt abgewandten Seite der Ständerspule umgibt ein durchgehender Rand einer oder beider Ständerscheiben die Ständerspule.

Durch diese Ausgestaltung des Generators mit einer höheren magnetischen Streuflusskomponente wird eine Dauerkurzschlussfestigkeit erreicht, die im Kurzschlussfall den Effektivstrom unter den Betriebsstrom senkt, so dass keine Er- oder Überhitzungsgefahr droht. Durch die Blindleistungsquelle wird der Generator außerdem in einen sicheren Betriebszustand gebracht.

Die Überwachungsanordnung kann sehr einfach aufgebaut sein und ist dazu eingerichtet, als Störfall einen oder mehrere der folgenden Zustände in der Transversalflussmaschine zu detektieren:

  • • einen Kurzschluss einer Windung einer Ständerspule,
  • • einen Kurzschluss mehrerer Windungen einer Ständerspule,
  • • einen Kurzschluss aller Windungen einer Ständerspule,
  • • einen einfachen Masseschluss einer Ständerspule,
  • • einen mehrfachen Masseschluss einer Ständerspule,
  • • einen einfachen Masseschluss mehrerer Ständerspulen
  • • einen mehrfachen Masseschluss mehrerer Ständerspulen
  • • eine niederohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen
  • • eine hochohmige Verbindung innerhalb einer Ständerspule, oder
  • • eine hochohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Überwachungsanordnung dazu eingerichtet sein, in den Ständerspulen der Transversalflussmaschine fließende Ströme und/oder an den Ständerspulen abfallende Spannungen zu erfassen und miteinander zu vergleichen um einen Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen zu detektieren.

Damit können durch Kurzschlüsse oder Unterbrechungen hervorgerufene Veränderungen der EMK, also der an den Anschlüssen der unbelasteten Ständerspulen anliegenden Spannung (= "elektromotorische Kraft") und der Spulenimpedanz in einer Ständerspule im Verhältnis zu den anderen Ständerspulen sehr schnell erkannt werden. Es sind hierfür keine hohen Genauigkeitsanforderungen an Strom- und Spannungswandler zum Erkennen von Kurzschlüssen und Unterbrechungen erforderlich, da in diesen Fällen die Impedanz und EMK erheblich verändert werden.

In einer weitergehenden Ausführungsform der Erfindung kann die Überwachungsanordnung dazu eingerichtet sein, mittels an einer oder mehreren Ständerspulen der Transversalflussmaschine angeordneten Temperatursensoren Erwärmungen der betroffenen Ständerspule zu erfassen, um Überlastungen, Kurzschlüsse oder dergl. der betroffenen Ständerspule zu detektieren.

Dies erlaubt ein sicheres, für jede der Ständerspulen selektives Erkennen auch schleichender Störfälle, die sich zunächst nur durch erhöhte Verluste bemerkbar machen.

In einer weitergehenden Ausführungsform der Erfindung kann die Überwachungsanordnung dazu eingerichtet sein, mittels einer Potentialüberwachungsschaltung zur Isolationsüberwachung Masseschlüsse von einer oder mehreren Ständerspulen der Transversalflussmaschine zu detektieren.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die aktive Blindleistungsquelle zwei Halbbrücken zum Schalten elektrischer Leistungen aufweisen. Die beiden Halbbrücken sind dabei für die jeweilige Ständerspule zur Vollbrücke verschaltet. Dabei ist festzuhalten, dass zum Umformen der von der Transversalflussmaschine im Betrieb bereitgestellten Ausgangsleistung üblicherweise ohnehin ein Umrichter eingesetzt ist. Dieser Umrichter enthält meist derartige Halbbrücken zum Schalten elektrischer Leistungen und übernimmt daher in der vorliegenden erfindungsgemäßen Konfiguration des Turbinen-Luftstrahltriebwerksgenerators eine Doppelfunktion: Umrichter und aktive Blindleistungsquelle.

Vorzugsweise haben die beiden Halbbrücken der aktiven Blindleistungsquelle wenigstens zwei Halbleiterschalter, die in Serie geschaltet sind. Es ist abhängig von den zu schaltenden (Blind-)Leistungen auch möglich, mehrere derartiger in Serie geschalteter Halbleiterschalter parallel zu schalten. Jeder der Halbleiterschalter hat einen Steuereingang. Der erste Halbleiterschalter hat einen ersten Leistungsanschluss, der mit einem hohen Spannungspotential zu verbinden ist. Der zweite Halbleiterschalter hat einen zweiten Leistungsanschluss, der mit einem niedrigen Spannungspotential zu verbinden ist. Ein zweiter Leistungsanschluss jedes ersten Halbleiterschalters ist mit einem ersten Leistungsanschluss des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters unter Bildung eines Anschlusses für die Ständerspule verbunden.

Weiterhin kann jeder der Halbleiterschalter eine Freilaufdiode haben, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters liegt.

Die Überwachungsanordnung steuert bei einem Störfall des Turbinen-Luftstrahltriebwerksgenerators die aktive Blindleistungsquelle so an, dass in den beiden Halbbrücken entweder die zweiten Halbleiterschalter leitend geschaltet bleiben und die ersten Halbleiterschalters unangesteuert bleiben, oder die ersten Halbleiterschalter leitend geschaltet bleiben und die zweiten Halbleiterschalter unangesteuert bleiben. In beiden Fällen nimmt ein Kurzschluss-Strom einen kontrollierten Weg über die jeweils leitend geschalteten Halbleiterschalter.

Die Erfindung sieht des Weiteren vor, dass in der Transversalflussmaschine die Ständerspulen und deren Strombelag so dimensioniert und konfiguriert sind, dass im Störfall eine magnetische Durchflutung auftritt, welche die Nenndurchflutung (= Nennstrom x Windungszahl) nie erreicht. Damit wird sichergestellt, dass selbst bei einem Kurzschluss der gesamten Wicklung ebenfalls nur ein Strom unterhalb des Nennwertes fließen kann. Dies basiert auf dem Umstand, dass der von der Ständerspule zu liefernde Strom seinerseits zu zusätzlichem magnetischem Fluss durch die Ständerspule führt, wodurch ein zusätzlicher Spannungsanteil in der Ständerspule selbstinduziert wird, welcher der jeweiligen Stromänderung entgegenwirkt. Dieser Selbstinduktionsanteil führt bei einem passiven Abschluss der Ständerspule des durch einen Verbraucher oder auch bei einem Kurzschluss der Ständerspule nur zu einem begrenzten Strom und zwar weit unterhalb des Nennwertes. Der für die volle Leistungsabgabe erforderliche Nennstrom kann sich dagegen nur durch Zusammenwirken der Ständerspule mit einem Blindleistungserzeuger aufbauen. Ohne aktiven Blindleistungserzeuger, d.h. in einem Störfall, baut sich erfindungsgemäß selbst im Kurzschlussfall nie eine magnetische Durchflutung auf, die annähernd die Nenndurchflutung erreicht. Damit stellt sich selbst bei einem Kurzschluss der gesamten Ständerspule nur ein Strom unterhalb des Nennwertes ein. Allerdings kann bei einem Kurzschluss nur eines Teils der Ständerspule oder gar nur einer Windung der dort lokal fließende Strom den Nennwert erreichen oder sogar überschreiten.

Die Erregung durch die Permanentmagnete führt zu einer ständig induzierten Spannung in der Ständerwicklung der Transversalflussmaschine, solange dessen Läufer sich relativ zu seinem Ständer dreht. Ein Abschalten eines im Kurzschlussfall auftretenden Stromes ist somit prinzipiell nicht möglich. Der im Kurzschlussfall fließende Strom erreicht durch die erfindungsgemäße Dimensionierung maximal den Nennstromwert, den die Wicklung dauerhaft führen kann. Andererseits stellt ein Kurzschluss-Strom an einer Fehlerstelle insofern ein Problem dar, dass an der Kurzschluss-Stelle selbst durch den undefinierten Übergangswiderstand lokal eine hohe Leistung freigesetzt wird, häufig sogar ein Lichtbogen entsteht, der für längere Zeit, wenn nicht dauerhaft brennen kann. Die Erfindung bietet gegen diese Gefährdung einen Schutz durch kontrolliertes Kurzschließen der Ständerspule.

Eine weitere Gefährdung könnte bei Abschaltung des Wechselrichters bzw. der zugeordneten H-Brücke bei hohen Generatordrehzahlen entstehen, da dann ohne feldschwächenden Stromanteil die induzierte Spannung über die Freilaufdioden einen nachgeschalteten Gleichspannungszwischenkreis auf unzulässig hohe Spannungen aufladen könnte. Die Erfindung schützt auch hiergegen durch das kontrollierte Kurzschließen der jeweiligen Ständerspule.

Mit dieser Maßnahme bleibt die Transversalflussmaschine dauernd im gesamten Drehzahlbereich unter allen Bedingungen ohne Gefährdung angrenzender Teile betriebsfähig. Lediglich die abgebbare Leistung reduziert sich entsprechend der Anzahl der kurzgeschlossenen Ständerspulen.

Alles dies sind für den Einsatz der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine für den Einsatz im Luftfahrtsektor signifikante Vorteile.

Im Übrigen ist im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen von Generatoren eine sehr viel Bauraum sparendere Ausführung (bei vergleichbarer Ausgangsleistung) möglich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Konzeptes besteht darin, dass praktisch nur die magnetisch wirksamen Komponenten (die Dauermagnete) zur trägen Masse des Läufers beitragen, während alle anderen Teile des Motors (Spulen, magnetischer Rückschluss, etc.) dem Ständer zugeordnet sind. Damit kann ein besonders hohes Verhältnis von durch die elektrische Maschine ausgeübter Kraft zu träger Masse erzielt werden.

Durch die sehr einfach gestaltbare ringscheibenförmige Anordnung der Ständerspule(n) der elektrischen Maschine ist es möglich, die auf die Spule wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so dass Vibrationen der Spule oder Reibung der Spule an der Wand der Ständerspulenkammer gering sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Ständerspulenkammer auszukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen erfindungsgemäßen Konzepten, da der Füllfaktor der Ständerspulenkammer (Spulenvolumen in der Ständerspulenkammer bezogen auf das Gesamtvolumen der Ständerspulenkammer) hoch ist.

Der Ständer kann in bekannter Weise aus Elektroblechteilen aufgebaut sein. Es ist aus Vereinfachung der Herstellung jedoch auch möglich, ihn zumindest teilweise als einen weichmagnetischen Formkörper, zum Beispiel aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver zu gestalten. Vorzugsweise ist der Ständer aus massivem Eisen hergestellt, da selbst bei den erhöhten Dynamikanforderungen die Wirbelstromeigenschaften von massivem Eisen ausreichend sind.

Auch wenn vorstehend stets von einer Transversalflussmaschine in Gestalt von einem Generator die Rede war, versteht sich, dass hiermit sowohl ein generatorischer Betrieb als auch ein motorischer (also antreibender) Betrieb möglich ist. Unter dem Begriff "Transversalflussmaschine" werden erfindungsgemäß also sowohl Generatoren als auch Motoren verstanden. Damit ist es durch die Erfindung einerseits möglich, einen Generator zur Umwandlung des an der verfügbaren Drehmomentes in elektrischen Strom einzusetzen. Andererseits kann die elektrische Maschine im Motorenbetrieb auch Teile in Rotation versetzen. Dabei ist die Erfindung sowohl in Gestalt von Innenläufermaschinen als auch von Außenläufermaschinen zu realisieren.

Durch die vorstehend erläuterte Konfiguration wird eine strukturell bedingte relativ hohe Streuinduktivität des Ständers bzw. der Ständerspule genutzt, so dass im Fall eines Dauerkurzschlusses der durch die Ständerspule fließende Strom stets in einem unkritisch niedrigen Bereich liegt. Durch die damit einhergehende Dauerkurzschlussfestigkeit kann eine inhärente Sicherheit bereitgestellt werden, durch die sich die vorgeschlagene Konfiguration für den Luftfahrtsektor hervorragend eignet. Die zusätzliche gesteuerte Abschaltung einer störfallbehafteten Ständerspule stellt eine redundante, systematisch unabhängige Sicherheit bereit.

Außerdem sieht die Erfindung vor, einen Kurzschluss-Strom zwischen einzelnen Windungsabschnitten der Ständerspule durch kontrolliertes Kurzschließen der Gesamt-Ständerspule in einen gefahrlosen Bereich zu überführen.

Schließlich kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch die spezielle Ausgestaltung der Ständerspule ein Kurzschluss-Strom auf gefahrminimierte Weise nach außen geführt werden. Dazu ist wenigstens eine der Ständerspulen aus mehreren Ringabschnitten gebildet, wobei jeweils mehrere der Ringabschnitte einen Ring bilden, der zu benachbarten Ringen im Wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, jeder Ringabschnitt an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem radial weiter außen oder weiter innen befindlichen Ringabschnitt verbunden ist, und radial ganz außen oder radial ganz innen befindliche Ringabschnitte an einem ihrer beiden Enden mit radial ganz innen bzw. radial ganz außen befindlichen Ringabschnitten verbunden sind. Dieser Aspekt der Erfindung, wie die Ständerspule vorteilhaft zu gestalten ist, kann auch unabhängig von der durch die Überwachungsanordnung anzusteuernde Blindleistungsquelle mit erheblicher Steigerung der Eigensicherheit der Transversalflussmaschine gemäß der Erfindung eingesetzt werden. Allerdings bietet die kombinierte Anwendung einen besonders hohen Schutz gegen Störfälle.

Die Erfindung kann in automotiven oder stationären Anwendungen mit Vorteil zum Einsatz kommen. Insbesondere wird die Erfindung aber im Zusammenhang mit einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine eingesetzt, weil in diesem Kontext die spezifischen Vorteile der Erfindung besonders gut zur Geltung kommen.

Dabei ist die Transversalflussmaschine insbesondere drehfest mit ener rotierenden Welle der Turbomaschine gekoppelt. Beim Einsatz in Fluggasturbinen ist die Transversalflussmaschine vorteilhafterweise im Bereich der Niederdruckturbine an die Niederdruckwelle gekoppelt, die im hinteren Bereich der Fluggasturbine leicht zugänglich ist.

Wie auch schon oben angesprochen, kann die Transversalflussmaschine dabei als Generator, oder als Motor/Starter eingesetzt werden. Die Transversalflussmaschine vereint jedoch bevorzugt beide Funktionen als sog. Startergenerator in einem. Die Erfindung kann in automotiven oder stationären Anwendungen mit Vorteil zum Einsatz kommen.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.

Es zeigt:

1 zeigt eine schematische teilweise Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Transversalmaschine als Startergenerator einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine

2 zeigt eine schematische, vergrößerte Teilansicht in perspektivischer Explosionsdarstellung der elektrischen Maschine, die in 1 als Startergenerator gezeigt ist.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen, zu steuernden aktiven Blindleistungsquelle, die mit der Ständerspule der Transversalflussmaschine zu verbinden ist.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ständerspule der Transversalflussmaschine in einer Draufsicht.

In 1 ist eine Transversalflussmaschine als Startergenerator im teilweisen Längsschnitt veranschaulicht. An der rotierend gelagerten Welle 18 der Niederdruckturbine 18 (ebenso wie die gesamte Gasturbine der besseren Übersicht halber nicht dargestellt) ist ein Läufer 52 des Generators 50 drehfest angekoppelt. Hierzu kann der Startergenerator insbesondere an die Welle angeflanscht werden. Der Läufer 52 hat einen hohlzylindrischen Träger 54, an dessen Außenfläche mehrere koaxial zur Mittellängsachse A zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe 56 befestigt sind. Die Permanent-Magnetringe 56 sind aus Einzelmagneten 56a, 56b, ... mit in radialer Richtung abwechselnder magnetischer Orientierung N, S, N, S (siehe auch 2) gebildet. Der Startergenerator 50 hat einen Ständer 58, der aus einem weichmagnetischen Material, zum Beispiel aus Elektroblechteilen aufgebaut ist. Es ist auch möglich, ihn als weichmagnetischen Formkörper, zum Beispiel aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver zu gestalten. Der Ständer 58 umgibt den Läufer 52 unter Bildung eines Luftspaltes 60 konzentrisch und hat mehrere Ständerspulen 62, die koaxial zu den Permanent-Magnetringen 56 und mit diesen fluchtend orientiert sind. Eine Ständerspule 62 hat jeweils zwei Anschlüsse 62a, 62b und wird an ihrer dem Luftspalt 60 zu dem Läufer 52 hin zugewandten Seite von weichmagnetischen, ineinander greifenden Polen 64 überragt. Diese Pole 64 sind jeweils an einer Weicheisenringscheibe 66a, 66b an deren jeweiligem Innenrand entlang des gesamten Innenumfangs angeordnet. Die Pole 64 fassen ineinander nach der Art von Klauenpolen, die den Permanent-Magnetringen 56 des Läufers 52 zugewandt sind und jeweils mit einzelnen der Einzelmagnete 56a, 56b fluchten. Dies ist im Detail in 2 veranschaulicht. Eine oder beide der Weicheisenringscheiben 66a, 66b haben an ihrem Außenrand eine Ringsteg 66c, der so bemessen ist, dass im zusammengesetzten Zustand der beide Weicheisenringscheiben 66a, 66b die entsprechende Ständerspule 62 eingeschlossen ist. Die Pole 64 der beiden Weicheisenringscheiben 66a, 66b sind gegenseitig durch einen Abstand isoliert. Entsprechend der Anzahl der Ständerspulen bzw. Magnetringe in dem Generator (siehe 1) werden die in 2 gezeigten Konfigurationen zusammengestellt.

Es sei bemerkt, dass hier die Integration des Startergenerators in die Gasturbine an der Niederdruckwelle im Bereich der Niederdruckturbine erfolgt; diese kann aber auch an anderer Stelle erfolgen.

Für jeweils eine Ständerspule 62 mit zwei Anschlüssen 62a, 62b ist eine elektronisch zu steuernden aktive Blindleistungsquelle 70vorgesehen, die mit der jeweiligen Ständerspule 62 verbunden ist. Weiterhin ist wenigstens eine Überwachungsanordnung 68 vorgesehen, die mit der Blindleistungsquelle 70 verbunden ist und bei einem Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen 62 Ansteuersignale für die aktive Blindleistungsquelle bereitstellt 70, so dass die zwei Anschlüsse 62a, 62b der jeweiligen Ständerspule 62 niederohmig miteinander verbunden – mit einem Wort kurzgeschlossen – sind.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für den Fall der hier beschriebenen Anwendung im Luftfahrtsektor eine Vielzahl von unterschiedlichen Störfällen mit dieser Konfiguration zu detektieren und in einen sicheren Betriebszustand zu bringen ist. Dazu gehören Kurzschlüsse einer, mehrerer, oder aller Windungen einer oder mehrerer Ständerspule 62, einen einfachen oder mehrfachen Masseschluss einer oder mehrerer Ständerspulen 62, eine niederohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen 62, oder eine hochohmige Verbindung innerhalb einer Ständerspule 62, sowie eine hochohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen 62.

Die Überwachungsanordnung 68 ist dazu eingerichtet, in den Ständerspulen 62 fließende Ströme und an den Ständerspulen 62 abfallende Spannungen zu erfassen und miteinander zu vergleichen um einen Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen 62 zu detektieren. Weiterhin ist die Überwachungsanordnung 68 dazu eingerichtet, mittels mehreren Ständerspulen 62 angeordneten Temperatursensoren 74 Erwärmungen der Ständerspulen 62 zu erfassen, um Überlastungen, Kurzschlüsse oder dergl. der betroffenen Ständerspulen 62 zu detektieren.

Weiterhin ist die Überwachungsanordnung 68 dazu eingerichtet, mittels einer Potentialüberwachungsschaltung 76 zur Isolationsüberwachung Masseschlüsse von einer oder mehreren Ständerspulen 62 zu detektieren. Die genaue Positionierung der dazu vorgesehenen Temperatursensoren und Strom/Spannungsdetektoren an den Ständerspulen ist der Übersichtlichkeit wegen nicht im Detail veranschaulicht.

In 3 ist die aktive Blindleistungsquelle 70 gezeigt. Sie hat zwei Halbbrücken 80, 82 zum Schalten elektrischer Leistungen. Jede der beiden Halbbrücken 80, 82 hat wenigstens zwei Leistungs-MOSFET-Halbleiterschalter 84, 86; 84', 86' die in Serie geschaltet sind.

Jeder der Halbleiterschalter 84, 86 ist ein N-Kanal MOSFET mit einem Steuereingang G (= Gate). Der erste Halbleiterschalter 84 hat einen ersten Leistungsanschluss S (=S ource), der mit einem hohen Spannungspotential VSS zu verbinden ist. Der zweite Halbleiterschalter 86 hat einen zweiten Leistungsanschluss D (= Drain), der mit einem niedrigen Spannungspotential VDD zu verbinden ist.

Ein zweiter Leistungsanschluss D (= Drain) jedes ersten Halbleiterschalters 84 ist mit einem ersten Leistungsanschluss S (= Source) des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters 86 unter Bildung eines Anschlusses 62a, 62b für die Ständerspule 62 verbunden. Jeder der Halbleiterschalter 84, 86; 84', 86' hat eine intrisische Freilaufdiode Di, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters liegt und welche Silizium-Sperrschichtdioden-Eigenschaften hat.

Zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungspotential VSS und VDD ist ein Stützkondensator 88 vorgesehen. Die Ansteuerung der MOSFETs erfolgt an deren Steuereingängen G über (nicht weiter veranschaulichte) Gate-Widerstände durch eine Ansteuerschaltung ECU.

Die Ansteuerschaltung umfasst die Überwachungsanordnung 68 mit der Potentialüberwachungsschaltung 76 und den Temperatursensoren 74. Sie ist durch die Erfassung der in den Ständerspulen 62 fließenden Ströme bzw. den Ständerspulen 62 abfallenden Spannungen in der Lage sowie der Temperaturen in der Lage, einen Störfall unmittelbar zu detektieren und in diesem Fall die aktive Blindleistungsquelle 70 über deren Steuereingänge G so anzusteuern, dass in den beiden Halbbrücken 80, 82 entweder die zweiten Halbleiterschalter 86, 86' leitend geschaltet bleiben und die ersten Halbleiterschalter 84, 84' unangesteuert bleiben, oder die ersten Halbleiterschalter 84, 84' leitend geschaltet bleiben und die zweiten Halbleiterschalter 86, 86' unangesteuert bleiben. In beiden Fällen ist die jeweilige Ständerspule 62 kurzgeschlossen. Auch wenn die vorstehend erläuterte Anordnung davon ausgeht, dass der kontrolliert herzustellende Kurzschluss mittels des ohnehin bei einem Generator vorhandenen Umrichters im Zusammenspiel mit der Überwachungsanordnung 68 bewirkt wird ist festzuhalten, dass dies auch durch von dem Umrichter unabhängige Schalter (Halbleiterschalter oder Relais) erreicht werden kann und von der vorliegenden Erfindung umfasst ist.

Im Fall eines solcherart hergestellten kontrollierten Kurzschlusses liefert die betroffene Ständerspule nur noch einen sehr geringen Teil der möglichen anteiligen Nennleistung, während der Wechselrichter den (Blind-)Strom zunächst weiterhin geregelt auch in die betroffene Ständerspule einspeist, wie in die anderen Ständerspule. Das maximal aufgenommene Drehmoment in der betroffenen Scheibe reduziert sich gegenüber deren Anteil am Nennmoment. Damit reduziert sich das maximal aufnehmbare Drehmoment des gesamten Generators. Bei Auftreten der Störung während Abgabe sehr geringer Leistung oder gar Leerlauf kann das aufgenommene Drehmoment dadurch aber spontan ansteigen.

Eine Ausweitung des Kurzschlusses auf weitere Ständerspulen, insbesondere die benachbarten Ständerspulen, ist wegen der Abschottung durch das Statoreisen ausgeschlossen. Die Schutzmaßnahmen greifen schnell genug, um ein Durchbrennen der Weicheisenscheibe zwischen den Ständerspulen oder die Schädigung der Nachbarspule durch die auftretende lokale Erwärmung durch die Weicheisenscheibe hindurch zu verhindern.

In 3 ist der Übersicht wegen nur eine Ständerspule mit der ihr zugeordneten Blindleistungsquelle/Umrichter gezeigt, der die Überwachungsanordnung 68 zugeordnet ist. Erfindungsgemäß sind jedoch alle Ständerspulen so ausgestattet, wobei die jeweiligen Blindleistungsquellen/Umrichter von einer gemeinsamen Überwachungsanordnung 68 mit Ansteuersignalen gespeist werden, die aus Sensoren ihre Informationen erhält, die an allen Ständerspulen des Generatorständers verteilt sind. Da für den Generatorbetrieb der Umrichter mittels einer elektronischen Steuerung so anzusteuern ist, dass in den Ständerspulen fließender pulsierender Strom in entsprechenden Nutzstrom umgesetzt wird, kann diese elektronischen Steuerung mit den entsprechenden Sensoren und Strom/Spannungsaufnehmern versehen und entsprechend programmiert/konfiguriert, auch die Funktion der Überwachungsanordnung 68 übernehmen.

Die Ständerspulen 62 und deren Strombelag sind so dimensioniert, dass im Störfall nie eine magnetische Durchflutung auftritt, welche die Nenndurchflutung der Ständerspulen 62 erreicht. Damit kann insbesondere auch im kontrolliert herbeigeführten Kurzschlussfall erreicht werden, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Dauerstrom durch die kurzgeschlossenen Ständerspulen geringer ist als die Hälfte des Nennstroms. Ein derartig strukturell bedingter geringer Kurzschluss-Strom bedeutet eine erhebliche Sicherheit.

Die Ständerspulen 62 sind jeweils aus mehreren Ringabschnitten 1a ... 4d gebildet (siehe 4). In der vorliegenden Ausführungsform sind die Ringabschnitte etwa Viertel-Kreisringe, von denen jeweils vier mit gleichem Krümmungsradius zusammen einen Ring mit Unterbrechungen bilden. Dabei sind mehrere Ringe (im Beispiel vier) zu ihren benachbarten Ringen im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind.

Die einzelnen Ringbschnitte 1a ... 4d haben jeweils zwei Enden. Mit einem der beiden Enden ist jeder Ringabschnitt mit einem angrenzenden radial weiter außen oder angrenzenden weiter innen befindlichen Ringabschnitt verbunden. So ist zum Beispiel der Ringabschnitt 2b an seinem einen Ende mit dem Ringabschnitt 1a und an seinem anderen Ende mit dem Ringabschnitt 3c verbunden.

Die radial ganz außen oder radial ganz innen befindlichen Ringabschnitte 1a, 2a, 3a, 4a bzw. 1d, 2d, 3d, 4d sind an einem ihrer beiden Enden mit radial ganz innen bzw. radial ganz außen befindlichen Ringabschnitten verbunden. So ist zum Beispiel der Ringabschnitt 1d an seinem einen Ende mit dem Ringabschnitt 2a verbunden.

Die einzelnen Enden der Ringabschnitte sind mit Verbindungsstücken 90 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindungsstücke 90 zwischen den Enden der Ringabschnitte kreuzen sich. Daher zeigt 3a eine Ausführungsform, wie die Verbindungsstücke 90 mit entsprechenden in einander passenden, randseitig offenen Ausnehmungen 92 zu versehen sind.

Insgesamt ist durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Ständerspulen ein besonders sichere, aber auch eine raumsparende und kompakte Konfiguration der Ständerspulen 62 zu erreichen.


Anspruch[de]
Transversalflussmaschine, bei der

– ein Läufer (52) mehrere axial zueinander benachbart angeordnete Permanent-Magnetringe (56) hat, die aus Einzelmagneten (56a, 56b, 65c, ...) mit in radialer Richtung abwechselnder magnetischer Orientierung (N, S) gebildet sind,

– ein Ständer (58) den Läufer (52) unter Bildung eines Luftspaltes (60) zumindest abschnittsweise konzentrisch umgibt und eine oder mehrere Ständerspulen (62) hat, die koaxial zu den Permanent-Magnetringen (56) orientiert sind,

– eine Ständerspule (62) jeweils zwei Anschlüsse (62a, 62b) aufweist und an ihrer dem Luftspalt (60) zu dem Läufer (52) hin zugewandten Seite von ineinander greifenden Polen (64) überragt ist, die den Permanent-Magnetringen des Läufers zugewandt sind und jeweils mit einzelnen der Einzelmagnete (56a, 56b, 65c, ...) fluchten,

– einer zu steuernden aktiven Blindleistungsquelle (70), die für jeweils eine Ständerspule (62) zwei Anschlüsse aufweist, mit denen die jeweilige Ständerspule (62) verbunden ist,

– wenigstens einer Überwachungsanordnung (68), die bei einem Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen (62) Ansteuersignale für die aktive Blindleistungsquelle (70) bereitstellt, so dass die zwei Anschlüsse der jeweiligen Ständerspule (62) niederohmig miteinander verbunden sind.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, bei der die Überwachungsanordnung (68) dazu eingerichtet ist, als Störfall einen oder mehrere der folgenden Zustände zu detektieren:

– einen Kurzschluss einer Windung einer Ständerspule,

– einen Kurzschluss mehrerer Windungen einer Ständerspule,

– einen Kurzschluss aller Windungen einer Ständerspule,

– einen einfachen Masseschluss einer Ständerspule,

– einen mehrfachen Masseschluss einer Ständerspule,

– einen einfachen Masseschluss mehrerer Ständerspulen,

– einen mehrfachen Masseschluss mehrerer Ständerspulen,

– eine niederohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen,

– eine hochohmige Verbindung innerhalb einer Ständerspule, oder

– eine hochohmige Verbindung zwischen zwei Ständerspulen.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 2, bei der die Überwachungsanordnung (68) dazu eingerichtet ist, in den Ständerspulen fließende Ströme und/oder an den Ständerspulen abfallende Spannungen zu erfassen und miteinander zu vergleichen um einen Störfall in einer oder mehreren Ständerspulen zu detektieren. Transversalflussmaschine nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Überwachungsanordnung (68) dazu eingerichtet ist, mittels an einer oder mehreren Ständerspulen angeordneten Temperatursensoren Erwärmungen der betroffenen Ständerspule zu erfassen, um Überlastungen, Kurzschlüsse oder dergl. der betroffenen Ständerspule zu detektieren. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Überwachungsanordnung (68) dazu eingerichtet ist, mittels einer Potentialüberwachungsschaltung zur Isolationsüberwachung Masseschlüsse von einer oder mehreren Ständerspulen zu detektieren. Transversalflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die aktive Blindleistungsquelle (70) zwei Halbbrücken zum Schalten elektrischer Leistungen aufweist. Transversalflussmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die beiden Halbbrücken wenigstens zwei Halbleiterschalter aufweisen, die in Serie geschaltet sind, und

– jeder Halbleiterschalter einen Steuereingang (G) aufweist, der erste Halbleiterschalter einen ersten Leistungsanschluss (S) aufweist, der mit einem hohen Spannungspotential (VSS) verbindbar ist;

– der zweite Halbleiterschalter einen zweiten Leistungsanschluss (D) aufweist, der mit einem niedrigen Spannungspotential (VDD) verbindbar ist; und

– ein zweiter Leistungsanschluss (D) jedes ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Leistungsanschluss (S) des jeweiligen zweiten Halbleiterschalters unter Bildung eines Anschlusses () für die Ständerspule verbunden ist.
Transversalflussmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Überwachungsanordnung bei einem Störfall die aktive Blindleistungsquelle so ansteuert, dass in den beiden Halbbrücken entweder

– die zweiten Halbleiterschalter leitend geschaltet bleiben und die ersten Halbleiterschalters unangesteuert bleiben, oder

– die ersten Halbleiterschalter leitend geschaltet bleiben und die zweiten Halbleiterschalter unangesteuert bleiben.
Transversalflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der Halbleiterschalter eine Freilaufdiode aufweist, die parallel zu den beiden Leistungsanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters liegt. Transversalflussmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Ständerspulen und deren Strombelag so dimensioniert sind, dass im Störfall nie eine magnetische Durchflutung auftritt, welche die Nenndurchflutung erreicht. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Ständer ein weichmagnetischer Formkörper, vorzugsweise aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver ist. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der wenigstens eine der Ständerspulen aus mehreren Ringabschnitten (1a ... 4d) gebildet ist, wobei

– jeweils mehrere der Ringabschnitte (1a ... 4d) einen Ring (1a, 2a, 3a, 4a; ... 1d, 2d, 3d, 4d) bilden, der zu benachbarten Ringen im Wesentlichen konzentrisch angeordnet ist,

– jeder Ringabschnitt (1a ... 4d) an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem radial weiter außen oder weiter innen befindlichen Ringabschnitt verbunden ist, und

– radial ganz außen (1d, 2d, 3d, 4d) oder radial ganz innen (1a, 2a, 3a, 4a) befindliche Ringabschnitte an einem ihrer beiden Enden mit radial ganz innen (1a, 2a, 3a, 4a) bzw. radial ganz außen (1d, 2d, 3d, 4d) befindlichen Ringabschnitten verbunden sind.
Transversalflussmaschine nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material aufgebaut ist. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine mit einer Transversalflussmaschine nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversalflussmaschine drehfest mit einer rotierenden Welle der Turbomaschine gekoppelt ist. Turbomaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversalflussmaschine als Generator ausgebildet ist. Turbomaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversalflussmaschine als Startergenerator ausgebildet ist.






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