DE102014202695A1

DE102014202695A1 - Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen Rotor und Stator elektrischer Maschinen

Info

Publication number: DE102014202695A1
Application number: DE102014202695.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas König; Johannes Köwilein; Felix Sorg
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-13
Also published as: WO2015117811A2; WO2015117811A3

Abstract

Elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst ein Blechpaket mit Nuten für die Aufnahme von Wicklungsstäben, welche durch Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe verschlossen werden. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine Anzahl von Sensoren zur Überwachung des Spaltes zwischen Stator und Rotor, wobei die Sensoren an einigen der Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe angebracht sind, so dass die Fläche der Sensoren, die vom Innenraum des Stator abgewandt ist, bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere für eine elektrische Maschine in einem Wasserkraftwerk.
Besonders bei großen elektrischen Maschinen, beispielsweise Wasserkraft-Generatoren und Motor-Generatoren für ein Pumpspeicherkraftwerk mit Rotordurchmessern von mehr als 5 m und kleinen relativen Spaltweiten, besteht die Gefahr, dass sich der Rotor nicht konzentrisch in der Mitte des Stators bewegt. Da bei diesen Maschinen die radiale Weite des Spalts zwischen Rotor und Stator in der Regel nur wenige Promille des Durchmessers der Statorinnenwand beträgt, kann eine vergleichsweise kleine Veränderung der Geometrie der elektrischen Maschine eine große relative Veränderung der Spaltgeometrie zur Folge haben. Es können sich beispielsweise während dem Betrieb sowohl die Form des Rotors und des Stators sowie deren relative Lage zueinander verändern. Die Folge sind große, auf den Umfang des Rotors ungleichmäßig verteilte Kräfte und dadurch verursachte Schwingungen, was sich ungünstig auf den Betrieb und vor allem auf die Lebensdauer der elektrischen Maschine auswirken kann. Es ist daher notwendig den Spalt zwischen Rotor und Stator mit Hilfe geeigneter Sensoren kontinuierlich zu überwachen.
Vorrichtungen zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die WO01/47092 eine solche Vorrichtung. Die Sensoren, die direkt den Abstand zwischen Stator-Innenwand und Rotoraußenwand bzw. den Rotorpolen messen, werden dabei gewöhnlich an der Stator-Innenwand befestigt. So zeigt der vergrößerte Ausschnitt in 1 der WO01/47092 einen solchen Sensor. Dieser ist mit 104 bezeichnet, während der Rotor mit 6, der Stator mit 8 und der Spalt zwischen beiden mit 10 bezeichnet sind.
Die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik bestehen darin, dass die Sensoren, die sich auf der Innenseite des Stators befinden, leicht beschädigt werden können. Durch die sehr kleinen Spaltweiten ergeben sich im Betrieb am Ort der Sensoren sehr hohe Luftgeschwindigkeiten. Die Erfahrung zeigt, dass dadurch die Sensoren teilweise zerstört oder abgerissen werden können. Der Ausfall eines oder mehrerer Sensoren kann dann zum Ausfall der gesamten elektrischen Maschine führen, was zu sehr hohen Umsatzeinbußen des Betreibers und damit zu sehr hohen Wartungskosten führt. Die beschriebenen Nachteile entstehen natürlich nicht nur bei Sensoren, die die Weite des Spaltes messen, sondern bei allen Arten von Sensoren, die an der Innenseite des Stators befestigt sein können.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, die beschriebenen Nachteile ohne großen Aufwand zu vermeiden.
Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Aufgabe dadurch lösen lässt, dass die Sensoren nicht wie im Stand der Technik auf die Innenseite des Stators aufgebracht werden, so dass sie in den Innenraum hineinragen, sondern in den Stator eingesenkt angebracht werden. Dadurch sind die Sensoren besser geschützt und verursachen keine oder eine wesentlich geringere Verengung des Spalts und stellen so ein kleineres Hindernis für den Luftstrom dar.
Die Innenseite des Stators besteht aus dem sogenannten Blechpaket, d.h. aus einem Stapel isolierter Bleche. Auf der Innenseite des Blechpakets befinden sich Nuten, die zur Aufnahme der Stator-Wicklungsstäbe dienen. Das vollständig aufgeschichtete Blechpaket stellt eine zylindrische Röhre dar. Von der zylindrischen Innenfläche dieser Röhre weichen die Wicklungsnuten nach außen zurück. Wenn im Folgenden von der Stator-Innenfläche gesprochen wird, so ist immer diese zylindrische Innenfläche der Blechröhre gemeint. Analog erstreckt sich der Stator-Innenraum innerhalb der Stator-Innenfläche.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 Schnitt durch einen Teil eines Stator-Blechpakets in Draufsicht; und
2 erfindungsgemäßer Nutverschlusskeil in einer ersten Ausführungsform; und
3 erfindungsgemäßer Nutverschlusskeil in einer zweiten Ausführungsform
In der Darstellung der 1 ist ein Schnitt durch einen Teil des Stator-Blechpakets einer elektrischen Maschine dargestellt. Dabei ist das Blechpaket selbst mit 10 bezeichnet. Die nach innen gekehrte Seite des Blechpaketes weist zahlreiche Nuten auf, in die die Wicklungsstäbe der Stator-Wicklung eingelegt werden. Einer dieser Wicklungsstäbe ist mit 11 bezeichnet. Um zu vermeiden, dass sich die Wicklungsstäbe aus den Nuten lösen können, werden die Nuten mit Mitteln verschlossen. In 1 sind diese Mittel als sogenannte Nutverschlusskeile ausgebildet und einer dieser Keile ist mit 12 bezeichnet.
Wenn man die Sensoren zur Überwachung des Spaltes in den Stator eingesenkt anbringen möchte, so bietet sich zunächst nur der Raum an der Innenseite des Blechpaketes an, der sich zwischen den Nuten befindet, in welche die Wicklungsstäbe eingelegt werden. Hier könnte eine zusätzliche Nut im Blechpaket vorgesehen werden, in die der Sensor z.B. stoffschlüssig verbunden angebracht werden könnte. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass diese naheliegende Lösung, das Problem zwar von der technischen Seite her löst, jedoch erhebliche Mehrkosten verursacht. Das liegt daran, dass auf der Innenseite des Blechpakets nach dem Stapeln keine Nut nachträglich angebracht werden kann. Denn die einzelnen Bleche sind gegeneinander elektrisch isoliert und jede mechanische Nachbearbeitung des Blechstapels würde zu Kurzschlüssen zwischen den Blechen führen. Es bliebe also nichts weiter übrig, als die Nuten für die Sensoren schon bei der Herstellung der einzelnen Bleche vorzusehen. Da jedoch nicht zwischen allen Wicklungsnuten Sensornuten gebraucht werden, müsste eine Anzahl von speziellen Blechen mit Sensornuten produziert werden, die sich von den übrigen Blechen unterscheiden. Diese speziellen Bleche müssten dann nur an besonderen Stellen des Blechstapels aufgestapelt werden. Das ganze wäre mit einer erheblich komplizierteren Logistik verbunden und zudem fehleranfällig. Da das Aufstapeln des Blechpaketes ohnehin den kostenträchtigsten Teil der Stator-Fertigung ausmacht, verbietet sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten diese Lösung.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich das Problem jedoch auch anders lösen lässt. Hierzu haben sie die Mittel ins Auge gefasst, die dazu dienen die Wicklungsstäbe in der Wicklungsnut zu fixieren. Diese Mittel werden in der Regel nach dem Einlegen der Wicklungsstäbe in eigens dafür vorgesehene Aussparungen an der Mündung der Wicklungsnuten parallel zu den Wicklungsstäben eingeschoben. Damit durch diese Mittel kein Kurzschluss zwischen den einzelnen Blechen entstehen kann, sind diese Mittel aus einem Isolator gefertigt. Da die Breite dieser Mittel vergleichsweise schmal ist, schien der Raum, den sie für die Anbringung der Sensoren zur Verfügung stellen könnten, zu gering zu sein, da z.B. die Sensoren zum Messen der Spaltweite eine gewisse minimale Fläche benötigen, um mit ausreichender Genauigkeit messen zu können (kapazitive Sensoren). Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass man Sensoren benutzen kann, die schmäler und dafür länger als die bisher benutzen Sensoren sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in zwei Formen ausführbar:
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Mittel zum Verschließen der Wicklungsnuten (Nutverschlusskeil) welches mit 12 bezeichnet ist. Auf diesen Nutverschlusskeil ist ein Sensor 20 zur Überwachung des Spaltes aufgebracht z.B. durch Stoffschluss. Diese Ausführungsform kann dann zur Anwendung kommen, wenn die Nutverschlusskeile selbst etwas zurückversetzt angebracht werden. D.h. wenn die Fläche des Nutverschlusskeiles 12, an die der Sensor angebracht ist, bzgl. der Stator-Innenseite eingesenkt ist, so dass die Oberfläche des Sensors 20 nicht so weit in den Stator-Innenraum hineinragt, als wenn sie auf dem Blechpaket aufgebracht wäre. Idealerweise wird auch die Oberfläche des Sensors 20 selbst nicht in den Stator-Innenraum hineinragen.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Nutverschlusskeil 12 in einer zweiten Ausführungsform. Hier befindet sich der Sensor 20 in einer Nut, die in den Nutverschlusskeil 12 eingebracht wurde. Diese Ausführungsform kann dann zur Anwendung kommen, wenn die Nutverschlusskeile 12 mehr oder weniger mit der Stator-Innenwand abschließen. Die notwendige Einsenkung der Sensoren 20 wird somit durch die eingelassene Nut im Nutverschlusskeil erreicht.
Wenn diejenigen Nutverschlusskeile 12, die jeweils einen Sensor 20 tragen sollen, ohnehin mit einer Nut versehen werden, die den Sensor 20 wenigstens teilweise aufnimmt, so ist es zweckmäßig die Kabelführung zu und von dem Sensor 20 ebenfalls in einer Nut im Nutverschlusskeil 12 zu führen. Da die Lüftungsschlitze in der Regel auch in die Wicklungsnuten münden, ist es zweckmäßig die Kabel durch einen geeigneten Lüftungsschlitz nach außen zu führen.
Als Sensoren zur Überwachung des Spaltes kommen Sensoren zur Messung diverse Größen in Frage: Sensoren zur Abstandsmessung, zur Temperaturmessung, zur Vibrationsmessung, zur Messung der Zusammensetzung der Atmosphäre, zur Messung der Oberflächenbenetzung, zur Messung von magnetischen und elektrischen Feldgrößen (jeweils statisch und dynamisch). Darüber hinaus kann es sich auch um alle weiteren Arten von Sensoren handeln, die an diesem Ort zum Einsatz kommen können.
Es ist klar, dass mit beiden beschriebenen Ausführungsformen, die erfinderische Aufgabe gelöst wird, da in beiden Fällen die Sensoroberfläche weniger weit in den Stator-Innenraum hineinragt, als beim Stand der Technik. Der benötigte Aufwand zur Realisierung der Lösungen ist gering. In der ersten Ausführungsform entsteht überhaupt kein weiterer Aufwand und in der zweiten Ausführungsform müssen nur so viele Nuten in die Nutverschlusskeile eingebracht werden, wie Sensoren benötigt werden. Die Kosten hierfür sind vernachlässigbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 01/47092 [0003, 0003]

Claims

Elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst ein Blechpaket mit Nuten für die Aufnahme von Wicklungsstäben, welche durch Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe verschlossen werden. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine Anzahl von Sensoren zur Überwachung des Spaltes zwischen Stator und Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an einigen der Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe angebracht sind, so dass die Fläche der Sensoren, die vom Innenraum des Stator abgewandt ist, bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe, an die die Sensoren angebracht sind, jeweils bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren jeweils in einer Nut angebracht werden, die in die Fläche der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe eingelassen ist, die in Richtung der Stator-Innenseite weist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel zu und von den Sensoren jeweils in einer Nut geführt werden, die in die Flächen der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe eingelassen ist, die in Richtung der Stator-Innenseite weist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel zu und von den Sensoren durch einen Lüftungsschlitz im Blechpaket nach außen geführt werden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Abstandsmessung handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Temperaturmessung handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Vibrationsmessung handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der Zusammensetzung der Atmosphäre handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der Oberflächenbenetzung handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der magnetischen Feldgröße handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der elektrischen Feldgröße handelt.