DE102005047451A1

DE102005047451A1 - Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102005047451A1
Application number: DE102005047451A
Authority: DE
Inventors: Ralf Cordes; Jan Dr. Weigel; Markus Dr. Wilke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12
Also published as: CN101278464B; CN101278464A; US7816828B2; KR20080064964A; WO2007036429A1; EP1938443A1; EP1938443B1; KR101369786B1; US20090273251A1

Abstract

Eine Synchronmaschine mit Polrad und Ständerwicklung benötigt üblicherweise eine Erregereinrichtung. Insbesondere soll mit einer Erregereinrichtung Energie auf eine Polrad-Induktivität, vorzugsweise Energie auf eine supraleitende Spule, übertragen werden. Dabei ist eine Abschirmung (30, 30') zum Abschirmen gegen das durch die Ströme im Wickelkopf erzeugte magnetische Feld notwendig. Erfindungsgemäß ist die Abschirmung (30, 30') als spezifisches Mittel zur Schwächung der störenden Fremdfelder von Ständer- und Läuferwicklung (6, 10) vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine, enthaltend eine Ständerwicklung und eine Polradinduktivität, mit einer Erregereinrichtung zur Ansteuerung und Überwachung der Polradinduktivität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
Für Synchronmaschinen zur Verwendung als elektrischer Generator oder Motor sind spezifische Erregereinrichtungen vorgesehen. Insbesondere bei Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen, bei denen der Strom gezielt auf- und abgebaut werden muss, sind Erregereinrichtungen bestehend aus Inverter, Übertrager und Synchrongleichrichter geeignet, wie sie beispielsweise in parallelen Anmeldungen der Anmelderin mit gleicher Priorität beschrieben werden.
Der Einbauort einer solchen Erregereinrichtung sollte möglichst nah an der Polradinduktivität liegen, um die Verluste auf Zuleitungen zu minimieren. Insbesondere bei solchen supraleitenden Wicklungen, die in HTS (High Temperature Superconducting)-Technologie aufgebaut sind, muss ein Schutz für die supraleitende Polradinduktivität implementiert werden, der möglichst nah an der supraleitenden Induktivität angebracht sein soll, um die Wahrscheinlichkeit eines Kabelbruchs und der damit verbundenen Zerstörung der supraleitenden Polradinduktivität auszuschließen bzw. so gering wie möglich zu halten.
Problematisch für letztere Erregereinrichtung sind das durch die Ströme im Wickelkopf erzeugte magnetische Feld einerseits und das aus dem Luftspalt austretende Ständer- und Rotorstreufeld andererseits. Diese unerwünschten Magnetfelder können eine dort befindliche Elektronik stören sowie insbesondere die ferromagnetischen Materialien des Übertragers in Sättigung bringen und damit funktionslos werden lassen.

Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, den verfügbaren Raum unterhalb des Ständerwickelkopfes als Einbauort einer berührungslosen Energie- und Datenübertragung zu nutzen, ohne dass Störungen auftreten. Insbesondere soll dabei gleichermaßen ein spezielles Schutzkonzept für eine vorteilhafte Verwendung von HTS-Spulen auf dem Polrad genutzt werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird eine – in Bezug auf den Maschinenaufbau – innen liegende Erregereinrichtung für elektrische Maschinen mit berührungsloser Energieübertragung und magnetischer Abschirmung realisiert.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei einer Maschine mit supraleitenden Wicklungen, insbesondere aus HTS-Material, realisiert. Die Erfindung ist aber auch bei allen bekannten Synchron-Maschinen anwendbar.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass insbesondere die störenden Fremdfelder von Ständer- und Läuferwicklungen in geeigneter Weise geschwächt werden. Damit kann ein berührungsloses Energieübertragungsverfahren mit einer induktiven Kopplung von Magnetkernmaterialien, insbesondere von dort vorhandenen Ferriten, erstmalig voll genutzt werden.

Bekannt war nämlich vom Stand der Technik, dass die magnetische Flussdichte am Einbauort der Erregereinrichtung einige 10 mT beträgt. Durch die in der Erregereinrichtung enthaltenden magnetischen Komponenten, wie insbesondere die Ferrite, wird aber der Feldverlauf derart verzerrt, dass diese Komponenten magnetisch gesättigt sind und somit häufig- wie oben bereits erwähnt – nicht mehr bestimmungsgemäß funktionieren.

Mit der Erfindung lassen sich demgegenüber gezielt geforderte Feldverläufe vorgeben und insbesondere die Bereiche der Erregereinrichtung mit der empfindlichen Elektronik von störenden Feldern, die die Funktionsweise einzelner Komponenten der Elektronik beeinträchtigen könnten, befreien.

In zweckgerichteter Weiterbildung der Erfindung sind unterschiedliche Ausführungen für die Ausbildung der Abschirmung gleichermaßen als Gehäuse möglich, wobei auch eine Kombination der Varianten möglich ist.

Vorteilhafterweise kann das Gesamtgehäuse für die Erregereinrichtung aus magnetischem Stahl bestehen, womit die Fremdfelder weitestgehend abgeschirmt werden.

Es kann auch ein stationärer und geblechter Schirm aus magnetischem Stahl vorhanden sein, der zumindest teilweise das rotierende Gehäuse der Erregereinrichtung umschließt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Synchronmaschine mit Ständerwicklung, Polrad und Erregereinrichtung einschließlich Übertrager,
2 eine Ansicht von vorne auf die elektrische Maschine gemäß 1,
3 eine Ansicht von vorne auf einen Schnitt der elektrischen Maschine gemäß 1 längs der Linie III-III, 4 eine Alternative für die Abschirmung gemäß 1 als Teilausschnitt und
5 einen Ausschnitt eines Schirmen mit zusätzlichen Elementen.
Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben. Gleiche oder gleichwirkende Teile haben gleiche Bezugszeichen.
In den Figuren ist eine elektrische Maschine dargestellt, die entweder als elektrischer Generator oder als Motor arbeitet. Wesentlich für eine derartige Maschine ist eine rotierende Welle 2, die in wenigstens zwei Lagern 3, 3' gelagert ist.
Aus der schematischen Darstellung gemäß 1 ist ersichtlich, dass auf der Welle 2 ein Polrad 5 angeordnet ist, auf dem sich Wicklungen, insbesondere supraleitende Wicklungen aus HTS-Material, befinden, was weiter unten anhand der 2 und 3 deutlich wird.
In 1 ist weiterhin ersichtlich, dass gegenüber dem Polrad 5 als Rotor eine Ständerwicklung 10 mit Wickelköpfen 11, 11' vorhanden ist.
Speziell in 1 ist eine Erregereinrichtung 20 vorhanden, die im Wesentlichen aus einem feststehenden Teil 21 und einem rotierenden Teil 22 besteht. Beide Teile 21 und 22 weisen Wicklungen zur Spannungsübertragung auf, wobei im Wesentlichen eine höhere Spannung auf eine niedrigere Spannung transformiert wird und mit der niedrigeren Spannung im bewegten Teil, d.h. auf der Welle 2, die Erregereinrichtung 20 betrieben wird.
In 1 befindet sich die Erregereinrichtung 20 als kompakte Einheit auf der rotierenden Welle 2 und wird durch einen Übertrager 25 zur Übertragung von elektrischer Leistung vom feststehenden Teil 21 zum rotierenden Teil 22 auf der Welle 2 aktiviert. Die Erregereinrichtung 20 beinhaltet einen Schaltungsaufbau mit elektronischen Bauteilen, auf die in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen wird. Da die elektronischen Bauteile empfindlich gegen Fremdfelder sind, ist eine Abschirmung 30 notwendig, auf die nachfolgend eingegangen wird.
Die Abschirmung 30 kann aus einem kompletten Hohlzylinder bestehen, der als Gehäuse über die gesamte Erregereinrichtung 20 einschließlich Übertrager 25 geschoben wird. Die Abschirmung 30 kann aber auch aus einzelnen Elementen, wie einzelnen Ferritringen 31, bestehen, was anhand der weiteren 2 ersichtlich wird.
Das Gehäuse bzw. die Abschirmung 30 besteht vorteilhafterweise aus magnetisch gut leitfähigem Material, wie insbesondere Stahl. Sie kann aber auch aus SMC (Soft Magnetic Composites) Werkstoffen bestehen, die durch magnetische Einlagerungen die geforderten magnetischen Eigenschaften realisieren, trotzdem elektrisch sehr schlecht leitfähig sind. Diese Eigenschaften können auch durch eine Schicht auf der Wandung des Gehäuses 30 erreicht werden, das dann vorteilhafterweise aus Nichteisen-Material, beispielsweise Kohlefaser od. dgl., bestehen kann. Darauf wird weiter unten noch im Einzelnen eingegangen.
Die Abschirmung 30 kann mit der Welle 2 nicht mitdrehend oder aber mitdrehend ausgebildet sein. Der Vorteil der ersten Alternative, d.h. einer nicht mitdrehenden Abschirmung, besteht insbesondere in einem mechanisch einfacheren Aufbau. Bei einem solchen Aufbau ergeben sich insbesondere keine aufzunehmenden Fliehkräfte durch die rotierenden Abschirmung.
Bei der zweiten Alternative einer mitdrehenden Anordnung der Abschirmung treten dagegen keine störenden Wirbelströme durch ein synchron umlaufendes Drehfeld der Synchronmaschine auf.
Für die praktische Anwendung wird bei Auswahl der nicht mitdrehenden oder drehenden Anordnung der Abschirmung die Anordnung der Erregereinrichtung 20 in Bezug auf die Ständerwicklung 10 berücksichtigt. Insbesondere wenn die Erregereinrichtung unmittelbar unter den Wickelköpfen 11 angeordnet ist, wird eine mitdrehende Anordnung zu bevorzugen sein. Ansonsten ist die stationäre Anordnung der Abschirmung als vorteilhaft zu wählen.
Bei einer spezifischen Anordnung gemäß 4, die durch Abwandlung der 1 gebildet wird, ist in eine Welle 4 im endständigen Bereich 41 ein Hohlraum 44 eingebracht, so dass ein innerer, bereits magnetisch abgeschirmten Freiraum für die magnetisch empfindliche Erregerelektronik gebildet wird.
Letzteres ist insbesondere bei Maschinen großer Leistung sinnvoll, bei denen die Welle einen hinreichend großen Durchmesser hat. Bei geringeren Durchmessern kann die Welle 2 aus 1 im endständigen Bereich erweitert und als Hohlzylinder 41 mit dem inneren Freiraum 44 ausgebildet sein. Für diesen Fall muss das Lager 2' geändert werden, während der feststehende Teil der Erregereinrichtung 20 mit den Transformatorwicklungen des Übertragers 25 im Wesentlichen gleich bleibt.
Es kann im Freiraum 44 des erweiterten Teils 41 der Welle 4 eine Aufnahme für die komplette Erregereinrichtung 20 mit der zugehörigen Elektronik vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Fall einer Welle aus magnetischem Material, die gleichermaßen als magnetische Abschirmung dient, die Fliehkräfte deutlich geringer gehalten werden, da sich bei einer achsnahen Anordnung der Erregerelektronik ein im Vergleich zu 1 insgesamt verringerter Durchmesser der Erregereinrichtung ergeben kann.
Aus den 2 und 3 ist der äußere Aufbau der oben beschriebenen Maschine erkennbar. Insbesondere in der Sicht auf den Schnitt gemäß 3 ist das Polrad 5 auf der drehenden Welle 2 erkennbar, auf dem sich die Läuferwicklung, insbesondere eine supraleitende Spule 6 aus HTS-Material, befindet.
In 2 ist die Erregerelektronik nur pauschal angedeutet, mit der die Übertragung des Energieein- oder -austrages einerseits und die Steuerung der supraleitenden Spule 6 im kalten Bereich andererseits gewährleistet ist.
Wesentlich ist, dass bei der Montage der Bauteile, die zu der Erregereinrichtung außerhalb bzw. ggf. innerhalb einer Maschienenwelle gehören, die Abschirmung ein Gehäuse reali siert, das sämtliche Komponenten umschließt. Speziell in 1 ist dieses Gehäuse leicht austauschbar und dadurch zuverlässiger und Platz sparender im Vergleich zu separaten Gehäusen, wie sie beim Stand der Technik alternativ innerhalb des kalten Bereichs, warmen Bereichs und außerhalb des gesamten Maschinengehäuses vorhanden sind. Durch die kompakte Anordnung können dabei insbesondere die Zuleitungen verringert werden.
Bei der oben bereits erläuterten Alternative gemäß 4 ergibt sich ein bis auf den Erregerbereich im Wesentlichen gleicher Aufbau der elektrischen Maschine entsprechend 1. Ein separates Gehäuse ist hier überflüssig. Wesentlich ist vielmehr, dass die Maschinenwelle sich im dem Erreger zugewandten Bereich erweitert und in seinem Freiraum die Erregereinrichtung aufnimmt.
Der hohlzylindrische Wellenteil kann, sofern er – wie die Welle – aus magnetisch leitfähigem Material besteht, also in 4 neben der Aufnahme für die Erregereinrichtung gleichermaßen die Abschirmung für die Erregerelektronik bilden. Damit ist ein besonders kompakter Aufbau der Maschine möglich.
In 5 sind in einem als Abschirmung wirkenden Hohlzylinder 30' Elemente 31, 31', ... zur Flussführung in radialer Richtung eingebracht. Solche Elemente 31, 31', ... werden durch Stege oder Scheiben aus einem Material guter magnetischer Leitfähigkeit realisiert und sind im Abstand innerhalb des Hohlzylinders 30' bei minimalem radialem Luftspalt angeordnet.
Mit einer solchen Anordnung wird bewirkt, dass ein magnetisches Feld in geeigneter Weise vom Innenraum des Hohlzylinders, in dem sich die Erregerelektronik mit gegen Magnetfelder empfindlichen Bauteilen befindet, ferngehalten wird. Insbesondere dann, wenn diametrale Felder maßgebend sind, lässt sich so die Stärke der äußeren Abschirmung 30' verringern.
Bei Verwendung von flächigen Scheiben als Feldführungselemente sind vorteilhafterweise Leitungsdurchführungen für die Bauelemente der Erregerelektronik im Innern des Zylinders vorhanden.
In 5 sind einzelne Feldlinien angedeutet. Die spezifische Anordnung gemäß 5 wirkt also als Flusskonzentrator, mit dem der Feldverlauf der magnetischen Felder in gewünschter Weise beeinflusst werden kann.
In den 1 bis 5 ist das Material der Abschirmung 30 jeweils magnetisch leitfähiger Stahl. Ein alternativer Werkstoff mit hoher Permeabilität und geringer anisotroper elektrischer Leitfähigkeit ist beispielsweise auch durch sog.
„Soft Magnetic Composites" (SMC) gegeben. Derartige Compound-Werkstoffe sind insbesondere sinterfähig und daher leicht in die gewünschte Form bringbar.
Alternativ kann die Abschirmung eine äußere Hülle, bestehend aus magnetisch nicht leitendem Material, enthalten, auf der die eigentliche magnetische Abschirmung durch Beschichtung mit einem Material hoher Permeabilität gebildet ist. In diesem Fall kann die äußere Hülle aus korrosionsbeständigem Material, z. B. Edelstahl, bestehen, wobei insbesondere auf der Innenseite sich die Beschichtung aus dem Material hoher Permeabilität befindet.
Schließlich ist es auch möglich, für die Abschirmung eine äußere Hülle aus magnetisch nicht leitendem Material zu verwenden, wobei die eigentliche magnetische Abschirmung durch Ringe aus einem Material hoher Permeabilität, beispielsweise Mu-Metall, gebildet wird.

Claims

Synchronmaschine, enthaltend eine Ständerwicklung und eine Polradinduktivität, mit einer Erregereinrichtung zur Ansteuerung und Überwachung der Polradinduktivität, bestehend aus einem Übertrager zur bidirektionalen Übertragung von Energie auf die Polradinduktivität, insbesondere eine supraleitende Induktivität, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schwächung von Fremdfeldern in der Erregereinrichtung (20) eine Abschirmung (30, 30') zur Schwächung der durch die Ströme im Wickelkopf (11), der Ständerwicklung (10) sowie durch die Induktivität des Polrades (5) erzeugten magnetischen und elektrischen Felder vorhanden ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei zwei Lager für die Polradinduktivität (5) der Maschine vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinrichtung (20) zwischen den beiden Lagern (3, 3') angeordnet ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (30, 30') mitdrehend ausgebildet ist.
Synchronmaschine nach einem der Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (30, 30') nicht mitdrehend ausgebildet ist.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abschirmung (30, 30') ein Werkstoff mit hoher Permeabilität, beispielsweise magnetisch leitfähiger Stahl ist.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abschirmung (30, 30') ein Werkstoff mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit ist, beispielsweise sog. „Soft Magnetic Composites" (SMC).
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung als Hohlzylinder (30, 30') ausgebildet ist, wobei der Hohlzylinder (30, 30') als Hülle ein Teil- oder Gesamtgehäuse für die Erregereinrichtung (20) bildet.
Synchronmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtgehäuse (30, 30') aus magnetisch gut leitfähigem Stahl, beispielsweise St37, besteht.
Synchronmaschine nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster stationärer Schirm aus Stahl mit hoher Permeabilität besteht, wobei der stationäre Schirm das rotierende Gesamtgehäuse der Erregereinrichtung (20) umschließt.
Synchronmaschine nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer, geblecht aufgebauter Schirm aus magnetischem Stahl vorhanden ist, der die (das Gesamtgehäuse der) Erregereinrichtung (20) umschließt.
Synchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mitdrehende Schirm (30, 30') das rotierende Gesamtgehäuse der Erregereinrichtung (20) bildet bzw. umschließt.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (30, 30') eine äußere Hülle, bestehend aus magnetisch nicht leitendem Material, enthält und dass die eigentliche magnetische Abschirmung durch Beschichtung der Hülle mit einem Material hoher Permeabilität gebildet ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle aus korrosionsbeständigem Material, z. B. Edelstahl, besteht und dass sich die Beschichtung mit dem Material hoher Permeabilität auf der Innenseite der Hülle befindet.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (30, 30') eine äußere Hülle, bestehend aus magnetisch nicht leitendem Material, enthält und dass die eigentliche magnetische Abschirmung (30) durch Ringe aus einem Material hoher Permeabilität, beispielsweise Mu-Metall, besteht.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30, 30') ganz oder teilweise austauschbar ausgebildet ist.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinrichtung (20) aus einem rotierenden Teil und einem feststehenden Teil besteht, die zur berührungslosen Energieübertragung mittels eines Übertragers (25) gekoppelt sind.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (25) Ferritringe (26) enthält.
Synchronmaschine nach Anspruch 16, die eine Welle (4) größeren Durchmessers enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Teil der Erregereinrichtung (20) einschließlich Erregerelektronik in einem Freiraum (42) innerhalb der Welle (4, 41) angeordnet ist. (4).
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der hohlzylindrischen Abschirmung (30') wenigstens ein Element (31, ...) aus magnetisch gut leitfähigem Material vorhanden ist, das als Feldkonzentrator fungiert.(5)
Synchronmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (31, ...) aus in radialer Richtung magnetisch gut leitfähigem Material sind und Leitungsdurchführungen für die beidseitig des Elementes (31, ...) verteilte Erregerelektronik aufweist.