DE102009037989A1

DE102009037989A1 - Elektrische Maschine mit Rotorwickelkopf

Info

Publication number: DE102009037989A1
Application number: DE200910037989
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Schwery; Serdar Cifyildiz; Matthias Schmid
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10) im Leistungsbereich von mehreren MVA, insbesondere Asynchronmaschine, welche elektrische Maschine (10) einen um eine Achse drehenden Rotor mit einer Rotorwicklung umfasst, die in einem Rotorblechkörper angeordnet ist und außerhalb des Rotorblechkörpers jeweils einen frei liegenden Wickelkopf (16) aufweist, der zum Auffangen der während des Betriebs auftretenden Zentrifugalkräfte mit einem Wickelkopfrückhaltesystem (29) ausgestattet ist, welches eine Mehrzahl von radial wirkenden Rückhalteelementen (20, 21) umfasst. Die Sicherheit der Maschine wird dadurch erhöht, dass die Rückhalteelemente (20, 21) mit Sicherungsmitteln (22, 23) versehen sind, welche die Rückhalteelemente (20, 21) gegen ein unbeabsichtigtes Lösen und/oder Wegfliegen im Falle eines Bruches sichern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen im Leistungsbereich von 20 MVA bis 500 MVA können zur drehzahlvariablen Energieproduktion eingesetzt werden. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine verteilte Dreiphasenwicklung auf dem Rotor aus. Die Rotorwicklung besteht aus einzelnen Stäben, welche im Rotorblechpaket in Nuten eingebettet sind. Im Wickelkopf werden die einzelnen Stäbe zu einer Wicklung verschaltet. Die Anordnung der Stabverbindungen ist gleichmassig am Umfang verteilt. Durch die Rotation des Rotors sind die Wickelköpfe Zentrifugalkräften ausgesetzt, gegen die sie mittels Wickelkopfrückhaltesystemen mechanisch gesichert werden müssen. Prinzipiell sind heute drei Arten von Wickelkopfrückhaltesystemen bekannt:

1. Befestigung mittels einer Stahlkappe, wie dies bei Turbogeneratoren der Fall ist.
2. Befestigung, indem der gesamte Wickelkopf mit einem Stahlkabel, Draht, oder Kunststofffolie umwickelt wird.
3. Befestigung mittels Bolzen, Schrauben oder U-förmigen Bügeln.

In 1 ist ausschnittweise in stark vereinfachter Form eine solche Asynchronmaschine 10 wiedergegeben. Sie umfasst einen um eine Achse 18 drehbaren Rotor 19, der konzentrisch von einem Statorblechkörper 14 mit entsprechender Statorwicklung und einem Statorwickelkopf 17 umgeben ist. Der Rotor 19 umfasst einen Zentralkörper 11, der an den Enden jeweils in eine Welle 11' übergeht. Der Zentralkörper 11 ist umschlossen von einem Rotorblechkörper 12, in dem die Rotorwicklung 13 verläuft. Auf einer der Wellen 11' sind Schleifringe 15 angeordnet, die der Versorgung der Rotorwicklung 13 mit Strom dienen. Der Rotorwickelkopf 16, der in 2(a) in vertikaler Orientierung noch einmal vergrössert dargestellt ist, ist mit einem Wickelkopfrückhaltesystem 29 ausgestattet, das gemäss 2(a) mit radial durch den Rotorwickelkopf 16 verlaufenden Rückhalteelementen in Form von mit Muttern 21 versehenen Gewindestangen 20 oder Schraubbolzen oder dgl. ausgerüstet ist.
Die Rückhalteelemente 20, 21 fangen die während des Betriebes der Maschine an dem Rotorwickelkopf 16 angreifenden Zentrifugalkräfte auf und leiten sie in den unterhalb des Wickelkopfes angeordneten massiven Teil des Rotors ein. Es kann nun während des Betriebes über einen längeren Zeitraum passieren, dass die mechanisch stark belasteten Rückhalteelemente 20, 21 brechen oder auf andere Weise ihre mechanische Integrität einbüssen. Es kann aber auch sein, dass sich die Muttern 21 oder Verschraubungen lösen und die Funktion der Rückhalteelemente 20, 21 auf diese Weise verloren geht. Löst sich im Rahmen dieses Versagens ein Teil der Rückhalteelemente 20, 21 und wird nach aussen geschleudert, können Folgeschäden an der Maschine auftreten, die zu einem längeren Ausfall der Maschine und damit zu hohen Folgekosten führen.
In allen Fällen ist es wünschenswert, ein solches Versagen der Rückhalteelemente 20, 21 entweder ganz zu vermeiden oder zumindest die Folgeschäden in Grenzen zu halten. Darüber hinaus wäre es von Vorteil, wenn ungewöhnliche Veränderungen im Wickelkopf rechtzeitig erkannt werden könnten und die Maschine frühzeitig abgeschaltet werden könnte, um Schäden zu begrenzen oder gar nicht erst aufkommen zu lassen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass Schäden am Rotorwickelkopf aufgrund der angreifenden Zentrifugalkräfte vermieden oder zumindest begrenzt werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wichtig für die Erfindung ist, dass die Rückhalteelemente mit Sicherungsmitteln versehen sind, welche die Rückhalteelemente gegen ein unbeabsichtigtes Lösen und/oder Wegfliegen im Falle eines Bruches sichern.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente als sich in radialer Richtung durch den Wickelkopf hindurch erstreckende Gewindestangen oder Schraubbolzen ausgebildet sind, die am äusseren Ende mit einer Mutter oder einem Schraubenkopf zur Abstützung des Wickelkopfes versehen sind.
Die Sicherungsmittel können dabei eine Gewebesicherung umfassen, die, insbesondere in Form eines Gewebebandes, vorzugsweise eng anliegend und in Umfangsrichtung, über die Aussenseiten der Muttern bzw. Schraubenköpfe gespannt ist.
Die Sicherungsmittel können aber auch eine Drahtsicherung umfassen, die in Form eines Drahtes, vorzugsweise eng anliegend und in Umfangsrichtung, über die Aussenseiten der Muttern und/oder Gewindestangen bzw. Schraubenköpfe gespannt ist.
In diesem Fall sind an den Rückhalteelementen vorzugsweise Schlitze vorgesehen, in welche die Drahtsicherung eingelegt ist, die die Rückhalteelemente zugleich gegen ein Verdrehen sichert.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Wickelkopfrückhaltesystem mit Überwachungsmitteln ausgestattet ist, mit welchen die ordnungsgemässe Funktion des Wickelkopfes überwacht werden kann.
Die Überwachungsmittel umfassen vorzugsweise Spannungsmessvorrichtungen, welche die mechanische Spannung der Sicherungsmittel im Wickelkopfrückhaltesystem messen und zur Auswertung an eine Auswerteeinheit weitergeben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt einer Asynchronmaschine mit Stator- und Rotorwicklung und einem Wickelkopfrückhaltesystem für den Rotorwickelkopf nach dem Stand der Technik;
2 in zwei Teilfiguren den vergrösserten Ausschnitt des Rotorwickelkopfes aus 1 in vertikaler Orientierung (2a) und zwei Arten von Sicherungen für die Rückhalteelemente gemäss verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung (2b);
3 in zwei Teilfiguren den Schnitt durch (3a) und die Draufsicht auf (3b) eine Drahtsicherung von Gewindestangen und Muttern umfassenden Rückhalteelementen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 den beispielhaften Einbau von Überwachungsmitteln in das Rückhaltesystem gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 das Schema einer Überwachungsvorrichtung, die mit den Überwachungsmitteln der 4 arbeitet.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Gemäss der Erfindung sollen die Bolzen oder Schrauben des Wickelkopfrückhaltesystems 29 im Rotorwickelkopf 16 gesichert werden. Handelt es sich bei den Rückhalteelementen gemäss 2a und 3 um Gewindestangen 20 mit Muttern 21, gilt es, die Muttern 21 gegen ein ungewolltes Lösen zu sichern. Sollte es aber zu einem unerwünschten Bruch in einer Schraube oder einem Bolzen kommen, gilt es, die frei werdenden Teile zurückzuhalten, um eine Zerstörung der Maschine zu verhindern.
Die Sicherung gegen Wegfliegen kann gemäss der Erfindung durch einen Draht (Drahtsicherung 23 in 2b) oder aber ein Gewebe (Gewebesicherung 22 in 2b) erfolgen, die in Umfangsrichtung über die Schraubenköpfe oder Muttern 21 gespannt sind. Im normalen Betrieb können sich die Schrauben (oder Gewindestangen 20) nicht in radialer Richtung bewegen. Die Kräfte, welche von den Schrauben (oder Gewindestangen 20) aufgenommen werden, sind gross, da diese die Zentrifugalkräfte, welche durch das Gewicht des Wickelkopfs 16 entstehen, tragen müssen. Kommt es zu einem Bruch in der Schraube (oder Gewindestange 20), wirkt nur noch die Zentrifugalkraft der Masse des freiwerdenden Schraubenstücks auf die Sicherung. Diese Kraft ist relativ klein. Aus diesem Grund ist es möglich, eine gebrochene Schraube bzw. Gewindestange 20 mittels eines Drahtes oder Gewebes zurückzuhalten. Als geeignetes Material für das Gewebe bzw. Gewebeband kommt ein hoch reissfestes, auch bei höheren Temperaturen stabiles Gewebe in Betracht.
Während das Gewebeband der Gewebesicherung 22 gemäss 2b breit über die Muttern 21 bzw. Schraubenköpfe geführt werden kann, ist es bei Einsatz der Drahtsicherung 23 von Vorteil, in den Muttern 21 bzw. Gewindestangen 20 oder in den Schraubenköpfen gemäss 3 in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 24 vorzusehen, in welche die Drahtsicherung 23 eingelegt wird. Durch den in den Schlitzen 24 verlaufenden Draht können sich die Muttern 21 bzw. Schraubbolzen nicht drehen. Gleichzeitig ist der Draht selbst gegen ein Verrutschen gesichert.
Mit der Sicherung des Rückhaltesystems kann gleichzeitig mit Vorteil eine Überwachung verbunden werden. Die Überwachung dient dem Schutz der Maschine. Sie ist dazu da, einen unerwünschten Bruch einer Schraube oder eines Bolzens, bzw. eine unzulässige Ausdehnung des Rotorwickelkopfes 16 zu detektieren und zu melden, damit die Maschine rechtzeitig ausser Betrieb genommen werden und Reparaturmassnahmen eingeleitet werden können.
Dazu wird gemäss 4 und 5 die Spannung (der Zug) im Draht oder Gewebeband mittels eines geeigneten elektronischen Sensors (Spannungsmessvorrichtung 25) überwacht (zum Beispiel mit einer Kraftmessdose). Löst sich durch Bruch ein Teil einer Schraube, nimmt die mechanische Spannung im Draht (Drahtsicherung 23) zu und kann detektiert werden. Dabei kann der Sensor bzw. die Spannungsmessvorrichtung 25 direkt im Draht am Umfang verlaufend integriert sein (oberer Teil in 4), oder aber gleich die Spannung zweier Sicherungsdrähte messen, indem der Sensor senkrecht zu dem Drähten angeordnet ist (unterer Teil der 4). Weiter besteht die Möglichkeit, die Drähte mit entsprechenden Umleitungen durch die Kreuzstellen der Wickelstäbe zu führen, damit die Spannungsmessung innerhalb des Rotorkörpers vorgenommen werden kann.
Die Messsignale der verschiedenen Sensoren bzw. Spannungsmessvorrichtungen 25 im Rotorwickelkopf 16 werden in einer entsprechenden Überwachungsvorrichtung (28 in 5) einer zentralen Auswerteeinheit 26 zugeführt und dort ausgewertet. Werden während des Betriebes ungewöhnliche Veränderungen im Spannungsmuster der Sicherungen des Wickelkopfrückhaltesystems 29 detektiert, wird eine Meldung an eine nachfolgende Anzeigeeinheit 27 abgegeben und dort angezeigt. Die Meldung kann gleichzeitig in eine zentrale Steuerung der Maschine geleitet werden und dort eine automatische Abschaltung initiieren, so dass die Maschine rechtzeitig einer Inspektion unterzogen werden kann.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Maschine (Asynchronmaschine)
11: Zentralkörper
11': Welle
12: Rotorblechkörper
13: Rotorwicklung
14: Statorblechkörper
15: Schleifring
16: Rotorwickelkopf
17: Statorwickelkopf
18: Rotationsachse
19: Rotor
20: Gewindestange
21: Mutter
22: Gewebesicherung
23: Drahtsicherung
24: Schlitz
25: Spannungsmessvorrichtung
26: Auswerteeinheit
27: Anzeigeeinheit
28: Überwachungsvorrichtung
29: Wickelkopfrückhaltesystem

Claims

Elektrische Maschine (10) im Leistungsbereich von mehreren MVA, insbesondere Asynchronmaschine, welche elektrische Maschine (10) einen um eine Achse (18) drehenden Rotor (19) mit einer Rotorwicklung (13) umfasst, die in einem Rotorblechkörper (12) angeordnet ist und ausserhalb des Rotorblechkörpers (12) jeweils einen frei liegenden Wickelkopf (16) aufweist, der zum Auffangen der während des Betriebs auftretenden Zentrifugalkräfte mit einem Wickelkopfrückhaltesystem (29) ausgestattet ist, welches eine Mehrzahl von radial wirkenden Rückhalteelementen (20, 21) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente (20, 21) mit Sicherungsmitteln (22, 23) versehen sind, welche die Rückhalteelemente (20, 21) gegen ein unbeabsichtigtes Lösen und/oder Wegfliegen im Falle eines Bruches sichern.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente (20, 21) als sich in radialer Richtung durch den Wickelkopf (16) hindurch erstreckende Gewindestangen (20) oder Schraubbolzen ausgebildet sind, die am äusseren Ende mit einer Mutter (21) oder einem Schraubenkopf zur Abstützung des Wickelkopfes (16) versehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmittel (22, 23) eine Gewebesicherung (22) umfassen, die, insbesondere in Form eines Gewebebandes, vorzugsweise eng anliegend und in Umfangsrichtung, über die Aussenseiten der Muttern (21) bzw. Schraubenköpfe gespannt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmittel eine Drahtsicherung (23) umfassen, die in Form eines Drahtes, vorzugsweise eng anliegend und in Umfangsrichtung, über die Aussenseiten der Muttern (21) und/oder Gewindestangen (20) bzw. Schraubenköpfe gespannt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rückhalteelementen (20, 21) Schlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Drahtsicherung (23) eingelegt ist und die Rückhalteelemente (20, 21) zugleich gegen ein Verdrehen sichert.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelkopfrückhaltesystem (29) mit Überwachungsmitteln (25) ausgestattet ist, mit welchen die ordnungsgemässe Funktion des Wickelkopfes (16) überwacht wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsmittel Spannungsmessvorrichtungen (25) umfassen, welche die mechanische Spannung der Sicherungsmittel (22, 23) im Wickelkopfrückhaltesystem (29) messen und zur Auswertung an eine Auswerteeinheit (26) weitergeben.