DE102009037990A1

DE102009037990A1 - Elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator und einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator

Info

Publication number: DE102009037990A1
Application number: DE102009037990A
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: 2011-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10) im Leistungsbereich von mehreren MVA, insbesondere Asynchronmaschine oder Synchronmaschine, welche elektrische Maschine (10) einen um eine Achse (18) drehenden Rotor (19) mit einem Rotorblechkörper (12) aufweist, der konzentrisch von einem Statorblechkörper (14) eines Stators umschlossen und von diesem durch einen ringförmigen Luftspalt (21) getrennt ist. Zur Sicherung eines einwandfreien Betriebs sind in axialer Richtung durch den Luftspalt hindurchreichende Mittel (23) zur Überwachung des Luftspaltes (21) vorgesehen, mit welchen eine Veränderung der Rotorgeometrie und/oder das Eindringen von Fremdkörpern in den Luftspalt (21) detektierbar ist.

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 gleichmässig 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 Stator mit 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. Zwischen dem Rotorblechkörper 12 und dem Statorblechkörper 14 ist ein zylinderförmiger Luftspalt 21 vorgesehen, der sich in axialer Richtung durch die Maschine erstreckt.
Der Luftspalt kann in unterschiedlichen Betriebsphasen je nach Temperatur, Drehzahl und anderen sich ändernden Parametern eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Diese Änderungen beeinträchtigen die Funktion der Maschine nicht wesentlich. Es kann aber auch vorkommen, dass sich die Geometrie des Rotors auf nicht tolerierbare Weise dauerhaft verändert oder dass Fremdkörper in den Luftspalt gelangen. Um daraus folgende Funktionsstörungen zu vermeiden und die Maschine möglichst frühzeitig einer Inspektion zu unterziehen, besteht ein Bedürfnis, derartige Änderungen im Luftspalt rechtzeitig zu erkennen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass kritische Veränderungen in der Geometrie des Luftspaltes rechtzeitig erkannt werden.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Charakteristisch für die erfindungsgemässe Lösung ist es, dass in axialer Richtung durch den Luftspalt hindurchreichende Mittel zur Überwachung des Luftspaltes vorgesehen sind, mit welchen eine Veränderung der Rotorgeometrie und/oder das Eindringen von Fremdkörpern in den Luftspalt detektierbar sind.
Eine Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsmittel eine in axialer Richtung durch den Luftspalt hindurchreichende Überwachungsstrecke umfassen.
Vorzugsweise verläuft die Überwachungsstrecke achsenparallel.
Gemäss einer Weiterbildung dieser Ausführungsart wird die Überwachungsstrecke durch wenigstens einen gespannten Draht gebildet.
Insbesondere sind in diesem Falle Mittel zur Überwachung der mechanischen Spannung des Drahtes vorgesehen.
Gemäss einer anderen Weiterbildung dieser Ausführungsart wird die Überwachungsstrecke durch wenigstens einen Lichtstrahl gebildet.
Insbesondere sind in diesem Falle Mittel zur Überwachung der Integrität des Lichtstrahls vorgesehen.
Um eine bessere Auflösung zu erreichen, kann es dabei von Vorteil sein, wenn mehrere parallele Lichtstrahlen über die Dicke des Luftspaltes verteilt die Überwachungsstrecke bilden.
Der wenigstens eine Draht kann mittels Aufhängevorrichtungen am Rotor befestigt sein.
Der wenigstens eine Draht kann aber auch mittels Aufhängevorrichtungen am Stator befestigt sein.
In einer entsprechenden Weise kann der wenigstens eine Lichtstrahl drehfest mit dem Rotor verknüpft sein.
Der wenigstens eine Lichtstrahl kann aber auch ortsfest ausgebildet sein.
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 Luftspalt zwischen Rotor und Stator nach dem Stand der Technik;
2 eine Asynchronmaschine gemäss 1 mit einer rotorseitig befestigten Überwachungsstrecke gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 in einer zu 2 vergleichbaren Anordnung eine Synchronmaschine mit einer rotorseitig befestigten Überwachungsstrecke gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Asynchronmaschine gemäss 1 mit einer statorseitig befestigten Überwachungsstrecke gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 in einer zu 4 vergleichbaren Anordnung eine Synchronmaschine mit einer statorseitig befestigten Überwachungsstrecke gemäss einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
6 in einer zu 4 vergleichbaren Anordnung eine Asynchronmaschine mit einer durch mehrere Lichtstrahlen gebildeten statorfixierten optischen Überwachungsstrecke mit höherer Ortsauflösung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit Hilfe einer Überwachungsstrecke in Form eines gespannten Drahtes oder optischer Mittel (Laser) ein Eindringen von Fremdkörpern in den Luftspalt bzw. eine Veränderung der Rotorgeometrie frühzeitig zu erkennen. Das von der zugehörigen Überwachungseinrichtung generierte Signal kann zu Schutzzwecken oder nur zu Monitoringzwecken verwendet werden. Man kann dabei unterscheiden zwischen einem auf dem Rotor drehfest montierten System, welches der Überwachung des Stators dient und einem am Stator fixierten System, welches der Überwachung des Rotors dient. Ein solches System kann aber nicht nur in Asynchronmaschinen mit Vorteil eingesetzt werden, sondern auch in konventionellen Synchronmaschinen.
In den 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Überwachungssystem nach der Erfindung für eine Asynchronmaschine gemäss 1 (2) und für eine Synchronmaschine (3) wiedergegeben, wobei die Maschinenachse im Unterschied zu 1 hier in vertikaler Orientierung dargestellt ist. In beiden Fällen ist eine Überwachungsstrecke 23 achsenparallel durch den Luftspalt 21 zwischen Rotorblechkörper 12 und Statorblechkörper 14 geführt. Wie bereits erwähnt, kann die Überwachungsstrecke 23 durch einen unter mechanischer Spannung stehenden Draht gebildet werden oder durch einen Lichtstrahl, der zwischen einem entsprechenden optischen Sender und Empfänger verläuft und der geschwächt oder ganz unterbrochen wird, wenn im Luftspalt Fremdkörper oder Geometrieänderungen den Lichtstrahl beeinflussen.
Das Ausführungsbeispiel aus 2 geht von einer drahtförmigen Überwachungsstrecke 23 aus. Ein aus geeignetem Material (Perlon, Kevlar, Aluminium etc.) bestehender Draht wird mit Hilfe von Aufhängevorrichtungen 22 so am Rotor 12 montiert, dass er im Luftspalt 21 parallel zur Maschinenachse 18 verläuft. Die Abstützungen können dabei am Rotor-Rim befestigt sein oder direkt an den Polendplatten angebracht werden. Die mechanische Spannung im Draht wird überwacht. Hierzu ist an der Aufhängevorrichtung 22 oder am Draht selbst (punktiert dargestellt) ein Spannungssensor 26 angeordnet, der die mechanische Spannung im Draht misst und entsprechende Signale an eine Auswerteeinheit 27 abgibt.
3 zeigt eine analoge Anordnung für eine Synchronmaschine 20 mit einem Statorblechkörper 12' und einer Aufhängevorrichtung 22'. Die Überwachungsmittel 26, 27 sind hier der Einfachheit halber weggelassen.
Anstelle des Drahtes kann auch hier ein optisches System, wie ein Laser und ein entsprechender Rezeptor, verwendet werden. Die Optik verhält sich wie eine Lichtschranke.
Lockern sich auf dem Stator Teile (zum Beispiel Distanzstege der Ventilationsbleche) oder ändert sich die Geometrie des Stators massgeblich, wird der mit dem Rotor rotierende Draht berührt, beziehungsweise die mit dem Rotor rotierende Lichtschranke durchbrochen.
Zwei andere Ausführungsbeispiele, die den 2 und 3 entsprechen, sind in den 4 und 5 dargestellt. In diesem Falle wird der Draht bzw. die Lichtschranke (Überwachungsstrecke 23) am Stator fixiert. Die dafür notwendigen Aufhängevorrichtungen 24 bzw. 24' können dabei direkt an den Pressfingern, an den Luftverschalungen oder aber am (nicht gezeigten) Statorgehäuse angebracht werden. Das Funktionsprinzip entspricht dem der rotorfixierten Überwachung aus 2 bzw. 3. Lockern sich auf dem Rotor Teile, oder ändert sich die Geometrie des Rotors massgeblich, wird der Draht berührt beziehungsweise wird die Lichtschranke durchbrochen.
Bei Synchronmaschinen 20 (5) kann die beschriebene Überwachung eine Veränderung der Rotorgeometrie, wie eine Änderung der radialen Position eines Pols, eine ungleiche Ausdehnung des Rotor-Rims, aber auch Verformungen der Polverbindungen der Erreger und Dämpferwicklung feststellen.
Bei der doppelt gespeisten Asynchronmaschine (4) kann nebst der Rundheit des Rotorblechkörpers insbesondere die Rückhaltevorrichtung des Wickelkopfes überwacht werden.
In allen beschriebenen Fallen ist es gemäss 6 möglich, die strahlförmige Lichtschranke durch mehrere parallel verlaufende Lichtstrahlen 23a, 23b und 23c mit einem entsprechenden optischen Sender/Empfänger 25 zu ersetzen. In diesem Fall kann die Veränderung der Luftspaltgeometrie und oder das ungewollte Eindringen von Körpern stufenweise festgestellt werden. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, in einem ersten Schritt nur einen Alarm auszulösen, und falls sich die Situation verschärft – die Maschine notfallmässig zu stoppen.
Werden die Signale des gemäss 6 auf dem Stator fixierten Systems mit dem Signal eines Key-Phasors synchronisiert, erlaubt die Auswertung der Daten die Erfassung der radialen Position jedes einzelnen Pols. Weiter kann die Ausdehnung des Rotors bei verschiedenen Betriebszuständen überwacht werden (Leerlauf, Volllast, ...).
Bezugszeichenliste

10: elektrische Maschine (Asynchronmaschine)
11: Zentralkörper
11': Welle
12, 12': Rotorblechkörper
13: Rotorwicklung
14: Statorblechkörper
15: Schleifring
16: Rotorwickelkopf
17: Statorwickelkopf
18: Achse
19: Rotor
20: elektrische Maschine (Synchronmaschine)
21: Luftspalt
22, 22': Aufhängevorrichtung (rotorseitig)
23: Überwachungsstrecke (Draht, Lichtstrahl)
23a, b, c: Lichtstrahl
24, 24': Aufhängevorrichtung (statorseitig)
25: optischer Sender/Empfänger
26: Spannungssensor
27: Auswerteeinheit

Claims

Elektrische Maschine (10, 20) im Leistungsbereich von mehreren MVA, insbesondere Asynchronmaschine oder Synchronmaschine, welche elektrische Maschine (10, 20) einen um eine Achse (18) drehenden Rotor (19) mit einem Rotorblechkörper (12, 12') aufweist, der konzentrisch von einem Statorblechkörper (14) eines Stators umschlossen und von diesem durch einen ringförmigen Luftspalt (21) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung durch den Luftspalt hindurchreichende Mittel (23; 23a, b, c) zur Überwachung des Luftspaltes (21) vorgesehen sind, mit welchen eine Veränderung der Rotorgeometrie und/oder das Eindringen von Fremdkörpern in den Luftspalt (21) detektierbar sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsmittel eine in axialer Richtung durch den Luftspalt (21) hindurchreichende Überwachungsstrecke (23) umfassen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsstrecke (23) achsenparallel verläuft.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsstrecke (23) durch wenigstens einen gespannten Draht gebildet wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (26, 27) zur Überwachung der mechanischen Spannung des Drahtes vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsstrecke (23) durch wenigstens einen Lichtstrahl (23a, b, c) gebildet wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (25) zur Überwachung der Integrität des Lichtstrahls (23a, b, c) vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallele Lichtstrahlen über die Dicke des Luftspaltes (21) verteilt die Überwachungsstrecke (23) bilden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Draht mittels Aufhängevorrichtungen (22, 22') am Rotor (19) befestigt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Draht mittels Aufhängevorrichtungen (24, 24') am Stator befestigt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Lichtstrahl (23a, b, c) drehfest mit dem Rotor (19) verknüpft ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Lichtstrahl (23a, b, c) ortsfest ausgebildet ist.