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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung
einer elektrodynamischen Maschine, die eine innerhalb eines Stators
drehbar gelagerte Rotoranordnung aufweist, bei dem zur Beurteilung von
mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der
Rotoranordnung wenigstens eine Messgröße erfasst
und ausgewertet wird, die von einem von der elektrodynamischen Maschine erzeugten
Magnetfeld abhängt.
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Stand der Technik
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Elektrodynamische
Maschinen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie (Generatorbetrieb)
beziehungsweise elektrische Energie in mechanische Energie (Elektromotorbetrieb)
um. Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte
Ladungen in einem Magnetfeld wirkt.
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Im
Nachfolgenden wird beispielhaft, ohne eine Einschränkung
vornehmen zu wollen, auf elektrodynamische Maschinen, die als Generatoren
arbeiten, eingegangen. Insbesondere beziehen sich die Ausführungen
auf großtechnische Anlagen, zum Beispiel große
Synchrongeneratoren wie sie unter anderem bei der industriellen
Stromerzeugung eingesetzt werden.
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Der
Generator besteht aus einem auf einer Drehachse gelagerten Rotor,
der sich innerhalb eines fest stehenden Stators mit einer Rotor-Drehfrequenz dreht.
Der Rotor erzeugt bei Rotation ein umlaufendes magnetisches Gleichfeld,
das in den Statorwicklungen eine sinusförmige elektrische
Spannung und damit einen sinusförmigen Strom induziert.
Das Gleichfeld des Rotors wird durch stromdurchflossene Wicklungen
erzeugt, die in Nuten, die parallel zur Drehachse verlaufen, angeordnet
sind. Die Wicklungen bestehen bei großtechnischen Anlagen
beispielsweise aus hohlen Metallbändern, deren äußere Oberflächen
mittels einer Kunststoffschicht untereinander elektrisch isoliert
sind. Im Inneren der hohlen Metallbänder zirkuliert zumeist
ein Kühlmedium.
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Während
des Betriebs wirken auf die Rotorwicklungen, bedingt durch die Zentrifugalkräfte
hohe mechanische Kräfte sowie bedingt durch Ohmsche Wärme
thermische Belastungen, die zu mechanischen Deformationen führen
können. Derartige Deformationen führen unter ungünstigen
Umständen dazu, dass die Isolationsschicht der Wicklungen
lokal beschädigt wird, so dass so genannte Rotorwindungsschlüsse
auftreten können. Diese bewirken ihrerseits, dass sich
der Rotor ungleichmäßig erwärmt, was
zu einer ungleichmäßigen Deformation des Rotors
und damit zu Unwuchten und Vibrationen der aus Rotor und Welle bestehenden
Rotoranordnung führt. Bei zu großen Vibrationen
muss die Maschine abgeschaltet werden, um eine Schädigung
der Maschine zu verhindern.
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Eine
andere Ursache für Vibrationen können auch ungleichmäßige
Polanordnungen des durch den Rotor erzeugten Magnetfeldes sein.
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Elektrodynamische
Maschinen, insbesondere große Generatoren, werden daher
während des Betriebs überwacht, um beispielsweise
Rotorwindungsschlüsse oder Vibrationen frühzeitig
zu erkennen und um somit Schäden an der Maschine vermeiden
zu können.
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Eine
beispielsweise aus
US 3,506,914 bekannte
Methode zur Detektion von Rotorwindungsschlüssen ist die
sogenannte Streufeldmessung, bei der mit Hilfe von Luftspaltsensoren,
die im Luftspalt zwischen Rotor und Stator angebracht sind, das
vom Rotor erzeugte tangential zur Rotoroberfläche verlaufende
magnetische Streufeld gemessen wird. Dabei wird ausgenutzt, dass
Windungsschlüsse eine im Luftspalt messbare Modifikation
des Streufeldes bewirken.
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Die Überwachung
mittels Luftspaltsensoren weist jedoch einige Nachteile auf. Durch
die mechanische Exponiertheit der Sensoren besteht die Gefahr der
Beschädigung der Luftspaltsensoren, insbesondere dann,
wenn in gewissen zeitlichen Intervallen die Rotoren ausgebaut, gewartet
und wieder eingesetzt werden. Außerdem kommen Messtechniken zum
Einsatz, mit denen bei eingebautem Rotor mittels beweglicher Sonden
Diagnosemessungen im Luftspalt durchgeführt werden können.
Hierbei kann es durch die Diagnosesonden zu Beschädigungen der
Luftspaltsensoren kommen oder aber zur Behinderung der Diagnosemessung
durch die Luftspaltsensoren.
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Ein
weiterer Nachteil liegt in dem erheblichen konstruktiven, und damit
verbunden finanziellen Aufwand, der für Leitungsführungen,
Dichtungen etc. betrieben werden muss. Besonders gravierend ist
dies bei Turbogeneratortypen, die zu Kühlzwecken mit druckbeaufschlagtem
Wasserstoffgas gefüllt sind. In diesen Fällen
werden besonders teure gasdichte Durchführungen notwendig.
Zudem befinden sich der Luftspaltsensor und dessen Signalleitungen
im Hochspannungsbereich des Generators, was weitere Maßnahmen
zur Reduktion des Betriebsrisikos erfordert.
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Ein
zusätzlicher Nachteil dieser Luftspaltsensoren besteht
darin, dass Reparaturen am Sensor während des Betriebes
der Maschine in der Regel nicht möglich sind. Üblicherweise
muss hierfür der Rotor freigelegt werden, um den defekten
Sensor oder das Signalkabel zu erreichen.
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Neben
der vorstehend beschriebenen Streufeldmessung im Luftspalt zwischen
Rotor und Stator wird in einem Artikel von Prof. Simond: „Unbalanced Magnetic
Pull and Air-Gap Monitoring for Large Hydrogenerators",
UMP-Monitoring/EPF-Lausanne, Dec. 2004, die Messung des
magnetischen Feldes mit im Stator-Blechpaket angeordneten Feldsensoren
beschrieben. Nachteilig ist auch in diesem Falle, dass die erforderlichen
Sensoren im Betrieb nicht oder nicht leicht zugänglich
sind. Wiederum werden spezielle, zum Beispiel aufgrund der Wasserstofffüllung
druckfeste und gas dichte Gehäusedurchführungen
benötigt. Weiters können bei mechanischen Defekten
die Sensorteile beispielsweise in die Lüftungskanäle
der Maschine gelangen und den Betrieb gefährden. Die Beseitigung
dieser Nachteile erfordert zusätzliche, nicht unerhebliche
finanzielle Anstrengungen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Überwachung
einer elektrodynamischen Maschine anzugeben, die eine innerhalb
eines Stators drehbar gelagerte Rotoranordnung aufweist, bei dem
zur Beurteilung von mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen
Eigenschaften der Rotoranordnung wenigstens eine Messgröße
erfasst und ausgewertet wird, die von einem von der elektrodynamischen
Maschine erzeugten Magnetfeld abhängt. Insbesondere sollen
mit dem Verfahren auf kostengünstige, wartungsarme und
ungefährliche Art und Weise nützliche Informationen über
das magnetische Hauptfeld der elektrodynamischen Maschine gewonnen
werden können.
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Die
Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist
im Anspruch 1 angegeben. Das lösungsgemäße
Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen Maschine
in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der
Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere
unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel, zu entnehmen.
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Lösungsgemäß zeichnet
sich das Verfahren zur Überwachung einer elektrodynamischen
Maschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes
des Anspruches 1 dadurch aus, dass die wenigstens eine Messgröße
an oder außerhalb einer von der Rotoranordnung abgewandten
Oberfläche des Stators sensorisch erfasst wird.
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Elektrodynamische
Maschinen, speziell große Kraftwerksgeneratoren, weisen
an der äußeren Oberfläche der Maschine
ein ausgeprägtes magnetisches Streufeld auf. Dieses magnetische
Streufeld wird vom magnetischen Hauptfeld, das durch den Stromfluss
in den Rotorwicklungen erzeugt wird, gemäß den
magnetischen Streu ungsgesetzen erzeugt und ist diesem strukturmäßig
eng verwandt. Der Feldaustritt verläuft an der metallischen
Oberfläche der Maschine typischerweise senkrecht zu derselben.
Durch Kurzschlussströme, die beispielsweise in den Zugstangenkonstruktionen
an der Außenseite des Blechpakets der Statoranordnung kreisen,
wird das Feld modifiziert. Aufgrund der senkrechten Orientierung
durchdringt das Streufeld auch das den Generator üblicherweise
umhüllende Stahlgehäuse, wobei Wirbelströme
im Gehäuse wiederum eine Modifikation des Feldes bewirken.
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Bisher
ging man davon aus, dass aussagekräftige Messwerte, beispielsweise
zur Detektion von Windungsschlüssen, vor allem durch Magnetfeldmessungen
im Luftspalt gewonnen werden können, wo zum einen ein ausreichendes
Signal-Rausch-Verhältnis und zum anderen eine direkte Zuordnung
von Messwert und Zustand der Windungen gegeben ist.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass wichtige Strukturkennzeichen des von der Maschine erzeugten
Hauptfeldes und des Luftspaltfeldes nicht nur im Luftspalt messbar
sind, sondern in modifizierter Form auch im Streufeld erkennbar
sind, das an oder außerhalb der Oberfläche der
elektrodynamischen Maschine, beispielsweise an der äußeren Oberfläche
des Statorblechpakets, dem so genannten „Blechrücken”,
oder aber auch an der äußeren Oberfläche
des Gehäuses, gemessen werden kann.
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Vorzugsweise
werden mit dem Verfahren Rotor-Windungsschlüsse, Vibrationen
des Rotors, insbesondere auch Torsionalvibrationen und/oder magnetisch
ungleichmäßige Polanordnungen der Rotoranordnung
detektiert, die zu veränderten mechanischen, elektrischen
und/oder magnetischen Eigenschaften der Rotoranordnung führen.
Hierbei ersetzt die erfindungsgemäße Messung der
wenigstens einen Messgröße an oder außerhalb
einer von der Rotoranordnung abgewandten Oberfläche des Stators
die Messung des Magnetfeldes im Luftspalt. Somit können
die gravierenden Nachteile, die mit der Luftspaltmessung verbunden
sind, wie mechanische Exponiertheit der Sensoren, Unzugänglichkeit
der Sensoren während des Betriebs, konstruktiver Mehraufwand
oder aufwändige Dichtungen und Durchführungen,
vermieden werden.
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Darüber
hinaus lassen sich mit dem lösungsgemäßen
Verfahren sowohl eine dauerhafte, kontinuierliche Überwachung
mittels fest installierter Sensoren realisieren. Genauso ist es
jedoch möglich, eine Diagnose mit einer mobilen Messeinrichtung
durchzuführen.
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Besonders
bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem das Magnetfeld selbst mittels
eines magnetfeldsensiblen Sensors in Art einer Spule, einer Leiterschleife,
eines Hallsensors oder eines magnetoresistiven Messaufnehmers erfasst
wird. Dabei wird der magnetfeldsensible Sensor vorzugsweise an der Oberfläche
des Stators oder außen am Gehäuse angebracht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mehrere
magnetfeldsensible Sensoren, beispielsweise im gleichen umfangsmäßigen
Abstand, außerhalb um den Stator angeordnet. Hierbei ermöglicht
die symmetrische Anordnung zusätzliche Diagnosemöglichkeiten
wie beispielsweise die Untersuchung der reinen Drehkomponenten des
Feldes.
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Insbesondere
wird das Spektrum des Streufeldes, das heisst, das magnetische Feld
in Abhängigkeit der Frequenz untersucht, wobei dem Spektrum
des Streufeldes Informationen über das Spektrum des Luftspaltfeldes
entnehmbar sind. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die wenigstens
eine sensorisch erfasste Messgröße im Frequenzbereich analysiert
wird.
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Vorzugsweise
wird auf der Grundlage der wenigstens einen sensorisch erfassten
Messgröße ein Amplitudenspektrum und/oder ein
Phasenspektrum erstellt und analysiert. Im Rahmen der Analyse werden
das Amplitudenspektrum und/oder das Phasenspektrum vorzugsweise
durch Vergleich mit einem Soll-Amplitudenspektrum bzw. Soll-Phasenspektrum
bewertet, das einem Referenzbetriebszustand der Rotoranordnung entspricht.
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Insbesondere
weisen erhöhte Pegel im Amplituden- bzw. Phasenspektrum
im Vergleich zu dem jeweiligen Sollspektrum auf eine Störung
in der Rotoranordnung hin. Zur Detektion von Rotorwindungsschlüssen
können das Amplituden- oder das Phasenspektrum analysiert
werden. Insbesondere weisen erhöhte Pegel im Amplitudenspektrum,
die insbesondere jeweils bei geradzahligen Vielfachen der Rotor-Drehfrequenz
auftreten, auf Rotorwindungsschlüsse hin. Hierbei ist zu
beachten, dass im Soll-Amplitudenspektrum, das dem störungsfreien Betrieb
entspricht, keine oder nur relativ kleine geradzahlige Vielfache
zu erkennen sein sollten, zumindest, wenn der Einfluss der Phasenströme
der Maschine und der Einfluss der aus dem Netz stammenden geradzahligen
Feldharmonischen korrigiert sind. Wenn dann geradzahlige Vielfache
im Spektrum auftreten, ist dies ein Hinweis auf Rotorwindungsschlüsse.
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Erhöhte
Pegel im Amplitudenspektrum können insbesondere auch auf
magnetisch ungleichmäßige Polanordnungen des Rotors
und damit auf Feldverzerrungen hinweisen. Im Unterschied zum Spektrum
bei Rotorwindungsschlüssen wird jedoch das gesamte Spektrum
verändert.
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Aus
dem Amplituden- bzw. Phasenspektrum können bevorzugt auch
Informationen über das Vorliegen von Vibrationen der Rotoranordnung,
insbesondere in Form von Torsionalvibrationen entnommen werden.
Hier deutet eine Verbreiterung spektraler Linien im Amplitudenspektrum
und/oder im Phasenspektrum im Vergleich zum Soll-Amplitudenspektrum
bzw. Soll-Phasenspektrum auf das Vorhandensein von unerwünschten
Vibrationen hin. Insbesondere werden dabei die Spektrallinien der
Rotorfrequenz und/oder ihrer Harmonischen und/oder Nebenlinien der
Rotorfrequenz und/oder ihrer Harmonischen untersucht.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
wird die wenigstens eine sensorisch erfasste Messgröße
im Zeitbereich analysiert. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die
sensorisch erfasste Messgröße zeitlich differenziert
und/oder gefiltert wird.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zeichnen sich
dadurch aus, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit beim
Auswerten der wenigstens einen Messgröße ein Einfluss
von Phasenströmen der elektrodynamischen Maschine kompensiert
wird. Insbesondere werden die Phasenströme der Maschine
gemessen und geeignet zu den erfassten Messsignalen, beispielsweise
der Feldspulen, addiert oder subtrahiert. Zu Grunde liegt hierbei die
Erkenntnis, dass das Hauptfeld und somit auch das äußere
Streufeld durch die gemeinsame magnetische Wirkung von Statorstrom
und Rotorstrom erzeugt werden. Insbesondere ergibt sich die Möglichkeit,
den Einfluss von aus dem Netz stammenden geradzahligen Vielfachen
der Rotor-Drehfrequenz im Spektrum zu verringern.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass bei dem Verfahren eine axiale und/oder eine
tangentiale Komponente des Magnetfeldes erfasst und getrennt ausgewertet
werden. Die axiale Komponente verläuft dabei parallel zur
Rotor-Drehachse. Die tangentiale Komponente liegt in einer Ebene
senkrecht zur Rotor-Drehachse und tangential zur Oberfläche.
Hierbei wird insbesondere ein Sensor in zeitlich aufeinanderfolgenden
Messungen jeweils so ausgerichtet, dass entweder die axiale oder
die tangentiale Komponente erfasst wird. Im Falle von mehreren Sensoren
kann in bevorzugter Weise die Erfassung der axialen bzw. tangentialen
Komponente durch entsprechende Ausrichtung der Sensoren gleichzeitig
erfolgen.
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Besonders
bevorzugt ist darüber hinaus, dass zur Erfassung des Magnetfeldes
mindestens ein Sensor eingesetzt wird, der ein die Messgröße
repräsentierendes Messsignal generiert, das einer Vorverstärkung
und/oder einer Filterung unterzogen wird. Auch wird bevorzugt, dass
das Messsignal drahtlos, beispielsweise über eine Funkverbindung, zur
Auswertung oder weiteren Verarbeitung übermittelt wird.
Selbstverständlich kann die Weitergabe der Messdaten aber
auch über Kabel erfolgen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet
sich dadurch aus, dass der mindestens eine Sensor die für
den Sensorbetrieb erforderliche elektrische Energie aus dem von
der elektrodynamischen Maschine erzeugten Magnetfeld gewinnt, so
dass der Sensor vollständig autark eingesetzt werden kann.
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Anstelle
der direkten Erfassung des Magnetfeldes können auch in
vorteilhafter Weise durch das Streufeld induzierte Schleifenströme,
beispielsweise in den Zugstäben des Statorblechpaketes
oder aber auch in Fundamentkreisen der Eisenarmierung oder Erdungskreisen,
erfasst werden, die auch Strukturmerkmale des magnetischen Maschinenfeldes
enthalten. Dazu werden entsprechende Sensoren an geeigneten Stellen,
wie z. B. an den Erdungsschienen angebracht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 schematischer
Schnitt durch einen Generator mit außerhalb des Luftspaltes
angebrachten Sensoren und
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2 schematischer
Schnitt durch einen Generator mit herkömmlichem Luftspaltsensor
nach dem Stand der Technik
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Wege zur Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
einen schematisierten Querschnitt durch eine Generatoranordnung 1.
Das senkrecht zur Rotor-Drehachse 14 orientierte Schnittbild zeigt
einen auf einem Fundament 5 ruhenden Generator 1,
der einen Rotor 11, einen Stator 12 und ein Gehäuse 13 aufweist.
Der Rotor 11 ist innerhalb des Stators 12 um die
Rotor-Drehachse 14 drehbar gelagert angeordnet und schließt
mit dem Stator 12 einen Luftspalt 17 ein. Mittels
drei außerhalb des Statorgehäuses 13 angebrachter
Magnetfeldsensoren 19, 20, 21 wird das
magnetische Streufeld außerhalb der Generatoranordnung 1 erfasst.
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2 stellt
gleichsam einen Querschnitt durch die Generatoranordnung 1 dar
mit weiteren Details zur Magnetfelderzeugung. Der Rotor 11 ist
in dem Stator 12 auf einer Drehachse 14 drehbar
gelagert angeordnet. Der Rotor 11 weist in Nuten 15 verlaufende
stromdurchflossene Rotorwicklungen 16 auf, die das magnetische
Hauptfeld 2 erzeugen. Der Verlauf der Magnetfeldlinien
des Hauptfeldes 2 ist durch Pfeile innerhalb des Rotors 11,
des Luftspaltes 17 sowie durch die strichlierte Linienführung
im Statorbereich 12 veranschaulicht. Neben dem Hauptfeld 2,
dessen Feldlinien im Wesentlichen orthogonal zur Rotoroberfläche
austreten, bildet sich im Luftspalt 17 ein Luftspaltstreufeld 3 mit
zur Rotoroberfläche tangentialen Feldkomponenten aus, das
bei den üblichen Messungen mit so genannten Luftspaltsensoren 18 vermessen
wird. Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf das außerhalb
des Generators 1 auftretende Streufeld, das es mit Hilfe
der in 1 illustrierten Magnetfeldsensoren 19, 20, 21 zu
erfassen und entsprechend auszuwerten gilt.
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- 1
- Generator
- 2
- Hauptfeld
- 3
- Luftspaltfeld
- 4
- Streufeld
- 5
- Fundament
- 11
- Rotor
- 12
- Stator
- 13
- Gehäuse
- 14
- Rotor-Drehachse
- 15
- Nut
- 16
- Rotorwicklungen
- 17
- Luftspalt
- 18
- Luftspaltsensor
- 19,
20, 21
- Magnetfeldsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Artikel von
Prof. Simond: „Unbalanced Magnetic Pull and Air-Gap Monitoring
for Large Hydrogenerators”, UMP-Monitoring/EPF-Lausanne,
Dec. 2004 [0012]