DE10121022A1 - Electrical machine - Google Patents

Electrical machine

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DE10121022A1
DE10121022A1 DE2001121022 DE10121022A DE10121022A1 DE 10121022 A1 DE10121022 A1 DE 10121022A1 DE 2001121022 DE2001121022 DE 2001121022 DE 10121022 A DE10121022 A DE 10121022A DE 10121022 A1 DE10121022 A1 DE 10121022A1
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DE
Germany
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pole
rotor
air gap
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losses
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Withdrawn
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DE2001121022
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German (de)
Inventor
Klaus Reppe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH and Co KG
Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH and Co KG, Voith Hydro Holding GmbH and Co KG filed Critical Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH and Co KG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors

Abstract

The invention relates to a salient pole synchronous machine comprising a stator and a rotor, which form an air gap between them. The stator or the rotor have pole shoes that support field windings. The invention is characterized by the following feature: the pole shoes are, when viewed in an axially vertical section, structured so that the air gap enlarges in the rotational direction of the rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Schenkelpolmaschine.The invention relates to an electrical machine, in particular one Salient.

Solche Maschinen weisen einen Stator und einen Rotor auf. Dem Rotor sind Polschuhe zugeordnet. Die Polschuhe tragen eine Feldwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Erregerfeldes im Luftspalt. Im feststehenden Stator sind Ankerwicklungen vorgesehen.Such machines have a stator and a rotor. The rotor are assigned to pole pieces. The pole pieces wear a field winding Generation of a magnetic excitation field in the air gap. In the fixed Armature windings are provided for the stator.

Die Kontur der Polschuhe ist bei einer Schenkelpolmaschine im allgemeinen derart gestaltet, daß im Luftspalt bei Leerlauf ein nahezu sinusförmiger Induktionsverlauf herrscht.The contour of the pole shoes is in a salient pole machine generally designed in such a way that an almost in the air gap at idle there is a sinusoidal induction curve.

Es ist bekannt, daß die Induktion bei Nennlast (= Wirklast) größer ist, als bei Leerlauf. Unter Last muß aber mit Zahn- und Rotorpolsättigung im Bereich der Umfangskraftbildung gerechnet werden. Dies führt zu erhöhten Verlusten in der Statorwicklung sowie zu den sogenannten Löwenherzverlusten mit dem Zahnentlastungsfeld als Ursache. Aufgrund der Sättigung ist außerdem die Berechnung des Erregerstromes mit Unsicherheiten behaftet.It is known that the induction at nominal load (= active load) is greater than at idle. Under load, however, with tooth and rotor pole saturation in In the area of peripheral force formation. This leads to increased Losses in the stator winding as well as the so-called Lion heart loss with the tooth relief field as the cause. by virtue of saturation is also the calculation of the excitation current Uncertainties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schenkelpolmaschine derart zu gestalten, daß die genannten Löwenherzverluste verringert oder vermieden werden, und daß sich der erforderliche Erregerstrom genauer berechnen läßt.The invention has for its object a salient pole machine to be designed in such a way that the aforementioned lion heart losses are reduced or be avoided, and that the required excitation current is more accurate can be calculated.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß werden die Polschuhe - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert. Der Größtwert befindet sich somit an der Kraftangriffsseite.This object is solved by the features of claim 1. Accordingly, the pole pieces - in an axially perpendicular cut seen - designed so that the air gap in the circumferential direction of the  Rotors enlarged. The maximum value is therefore on the Force defending.

Der Erfinder hat folgendes erkannt: Beim Übergang vom Leerlauf zur Nennlast tritt an einer Seite des Polschuhes - in Umlaufrichtung des Rotors gesehen - eine starke Erhöhung der Induktion auf. Dabei handelt es sich um jene Seite des Polschuhes, an der die drehmomentbildende Kraft angreift. Wird der Polschuh aber gemäß der Erfindung asymmetrisch gestaltet, daß sich der Luftspalt - in Umfangsrichtung des Rotors gesehen - einseitig aufweitet, so wird die Induktion über dem Schenkelpolschuh vergleichmäßigt. Dadurch wird von der magnetischen Kraft - genauer gesagt von deren Tangentialkomponente - bereits etwa die Hälfte des Drehmomentes gebildet.The inventor recognized the following: when transitioning from idle to Nominal load occurs on one side of the pole piece - in the direction of rotation of the rotor seen - a sharp increase in induction on. It is about around that side of the pole piece on which the torque-generating force attacks. However, according to the invention, the pole piece becomes asymmetrical designed that the air gap - seen in the circumferential direction of the rotor - expanding on one side, so the induction over the salient pole shoe uniform. This makes the magnetic force - more accurate said of their tangential component - already about half of the Torque formed.

Man könnte die genannte erfindungsgemäße Maßnahme mit der Flügelverstellung von Windrotoren vergleichen. Analog hierzu könnte daran gedacht werden, auch die Pole beziehungsweise deren geometrische Konfiguration veränderbar zu machen und der jeweiligen Belastung anzupassen. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig, da viele - elektrische Maschinen bei ständig gleichbleibender Nennlast laufen, zum Beispiel Generatoren von Wasserkraftanlägen. Deshalb kann die Polschuhform von vornherein derart gestaltet werden, daß sich bei Nennlast die optimale Induktion ergibt.You could the measure according to the invention with the Compare blade adjustment of wind rotors. Analogously, this could be done the poles or their geometric are also thought Make configuration changeable and the respective load adapt. However, this is generally not necessary because many - electrical machines run at a constant nominal load, for Example generators of hydropower plants. Therefore, the Pole shape be designed from the outset in such a way that Nominal load gives the optimal induction.

Die Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil. Da die Amplitude der Spannung etwa in der Polmitte, also in der magnetischen Hauptachse liegt, verbessert sich die Stabilität. Die Erregerwicklung liegt dabei nicht mehr ausschließlich in der magnetischen Längsachse des Polschuhs.The invention has another advantage. Because the amplitude of the Voltage lies approximately in the center of the pole, i.e. in the main magnetic axis, the stability improves. The excitation winding is no longer there exclusively in the magnetic longitudinal axis of the pole piece.

Die Erfindung läßt sich auch bei Wasserkraftanlagen mit Pumpenturbinen anwenden. Bei Motorbetrieb kehrt sich nämlich die Drehrichtung gegenüber dem Generatorbetrieb um. Was sich jedoch nicht umkehrt, ist die Richtung des Drehmomentes, die allein durch die erfindungsgemäßen asymmetrischen Polschuhe vorgegeben ist.The invention can also be used in hydropower plants with pump turbines apply. The direction of rotation reverses when the engine is running  compared to generator operation. However, what is not reversed is the direction of the torque solely by the invention asymmetrical pole shoes is specified.

Der Gedanke asymmetrischer Polschuhe konnte bisher deshalb nicht aufkommen, weil der Fachmann dabei nur Nachteile sehen mußte. Das Problem trat auch erst auf, als man die Maschinen immer höher ausnutzte, das heißt mit höherem Induktionsbetrieb. Tatsächlich ist das Verhalten einer Maschine mit asymmetrischen Polschuhen im Leerlauf ungünstiger, da die Spannungskurve durch die Asymmetrie ungünstiger wird und da im Leerlauf Löwenherzverluste auftreten. Entscheidend ist jedoch, daß bei Nennlast die Verluste minimiert werden und damit der Betrieb optimal wird. Man könnte somit bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Polschuhform von einer Lastfall-optimierten Form sprechen.So far, the idea of asymmetrical pole pieces has not been possible arise because the specialist only had to see disadvantages. The The problem only appeared when the machines were used ever higher, that means with higher induction operation. In fact, the behavior is one Machine with asymmetrical pole pieces at idle is less favorable because the Voltage curve becomes less favorable due to the asymmetry and because in the Idle lion heart losses occur. It is crucial, however, that at Losses are minimized and thus the operation is optimal. One could thus use the asymmetrical according to the invention Pole shoe shape speak of a load case-optimized shape.

Zusammenfassend ergibt die Erfindung die folgenden Vorteile:
In summary, the invention provides the following advantages:

  • 1. Die Löwenherzverluste (Längsfeld-Verluste) in der Ständerentwicklung entfallen bei Nennlast fast vollständig.1. The lion heart losses (longitudinal field losses) in the Stand development is almost completely eliminated at nominal load.
  • 2. Die stromabhängigen Verluste in der Polschuh-Oberfläche durch endliche Nutzahl gehen bei Nennlast auch deutlich zurück.2. The current-dependent losses in the pole shoe surface through finite number of uses also decrease significantly at nominal load.
  • 3. Die Polhörner werden bei Nennlast von extremer Sättigung entlastet; damit läßt sich der Erregerstrom genauer berechnen.3. The pole horns are relieved of extreme saturation at nominal load; this allows the excitation current to be calculated more precisely.
  • 4. Die statische und dynamische Stabilität sind bei Nennlast größer, als bei konventionellen Polschuhen, bei gleichem Erregerstrom.4. The static and dynamic stability are greater than at nominal load with conventional pole shoes, with the same excitation current.
  • 5. Die Feldkurve bei Nennlast läßt sich an die Idealform anpassen. 5. The field curve at nominal load can be adapted to the ideal shape.  
  • 6. Es lassen sich erfindungsgemäße Generatoren auch bei Pumpenturbinen anwenden, ungeachtet der Änderung der Drehrichtung.6. Generators according to the invention can also be used Use pump turbines regardless of the change in Rotation.

Die Erfindung und der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:The invention and the prior art are based on the drawing explained in more detail. The following is shown in detail:

Fig. 1 veranschaulicht einen asymmetrischen Polschuh mit zugehörendem Induktionsdiagramm. Fig. 1 illustrates an asymmetrical pole piece with associated induction diagram.

Fig. 2 veranschaulicht einen konventionellen Polschuh mit zugehörendem Induktionsdiagramm. Fig. 2 illustrates a conventional pole piece with associated induction diagram.

Fig. 3 veranschaulicht den Verlauf der Verluste in der Ständerwicklung durch das Zahnentlastungsfeld über der Last, und zwar für erfindungsgemäße und für konventionelle Polschuhe. Fig. 3 illustrates the course of the losses in the stator winding through the tooth relief field over the load, namely for inventive and conventional pole pieces.

Fig. 4 ist ein Leistungsdiagramm, das die statische und dynamische Stabilität bei asymmetrischen und konventionellen Polschuhen wiedergibt. Fig. 4 is a performance diagram showing the static and dynamic stability in asymmetrical and conventional pole pieces.

Claims (1)

1. Schenkelpol-Synchronmaschine;
  • 1. 1.1 mit einem Stator und einem Rotor, die einen Luftspalt zwischen sich bilden;
  • 2. 1.2 der Stator oder der Rotor weisen Polschuhe auf;
  • 3. 1.3 die Polschuhe tragen Feldwicklungen;
  • 4. 1.4 die Polschuhe sind - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert.
1. salient pole synchronous machine;
  • 1. 1.1 with a stator and a rotor, which form an air gap between them;
  • 2. 1.2 the stator or the rotor have pole shoes;
  • 3. 1.3 the pole pieces wear field windings;
  • 4. 1.4 the pole pieces are - seen in an axis-perpendicular section - designed such that the air gap increases in the direction of rotation of the rotor.
DE2001121022 2001-04-28 2001-04-28 Electrical machine Withdrawn DE10121022A1 (en)

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Bödefeld/Sequenz: Elektrische Maschinen, 5. Aufl., 1952, Springer-Verlag, Wien, S. 234 *

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