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Die Erfindung betrifft ein System zur Detektion von Windungsschlüssen in einer elektrischen Maschine.
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Die
WO 2013/ 136 098 A1 offenbart ein Verfahren zur Detektion von Wicklungsfehlern der Rotorwicklung in einer elektrischen Maschine, wobei zwei Messspulen im Bereich des Stators angeordnet sind und aus der in diesen induzierten Spannung ein Messsignal erzeugt und ausgewertet wird. Die Spulen sind in einem Abstand, der ein ganzzahliges Vielfaches der Polteilung beträgt, angeordnet, und derart in Serie geschaltet, dass bei einer idealen Maschine das erzeugte Messsignal verschwindet.
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Windungsschlüsse können in elektrischen Maschinen sowohl in der Stator- als auch in der Rotorwicklung auftreten. Systeme zur Detektion von Windungsschlüssen in der Rotorwicklung sind beispielsweise aus der
DE 10 2009 003 549 A1 bekannt. Dabei kommt eine Suchspule zum Einsatz, welche im Luftspalt in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche des Rotors angeordnet ist. Windungsschlüsse in den Wechselstromwicklungen des Stators können an Asymmetrien in den elektrischen Strömen verschiedener Wicklungsphasen oder parallelgeschalteter Wicklungszweige erkannt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass auch andere Abweichungen vom Idealzustand der elektrischen Maschine, wie z.B. eine Unrundheit des Stators, ebenfalls zu solchen Asymmetrien führen können. Dadurch wird eine Trennung der beiden Effekte auf diesem Wege sehr erschwert. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Detektion von Windungsschlüssen im Stator verwendet Flussmessspulen, deren beide Spulenschenkel in den Nutverschlusskeilen zweier Nuten geführt werden und damit einen bestimmten Bereich des Stator-Blechpakets in Umfangsrichtung überdecken. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass diese Messspulen nur mit erheblichem Aufwand in eine existierende Maschine eingebaut werden können (vgl.
M. Wehner and B. Ponick (2014): Search coil systems for early fault detection in wind turbine generators, 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Ischia, Italy, 18.-20. Juni 2014, pp. 273-278).
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Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein System zur Detektion von Windungsschlüssen an einer elektrischen Maschine anzugeben, das in der Lage ist, einen Windungsschluss im Stator von einer Unrundheit des Stators zu unterscheiden. Bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems erlauben es, das System mit verhältnismäßig geringem Aufwand in existierende Maschinen einzubauen. Außerdem ist das erfindungsgemäße System in der Lage auch Windungsschlüsse im Rotor zu detektieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfinder haben sich von dem Gedanken leiten lassen, dass wenigstens zwei Flussmessspulen in einer idealen elektrischen Maschine so angeordnet und verschaltet werden können, dass in denselben während dem Betrieb keine Spannung induziert wird. Die Erfinder haben erkannt, dass dabei die Flussmessspulen in axial-radialer Ausrichtung angeordnet jeweils einen analogen Teil des Stator-Feldes umschlingen müssen. Das ist dann der Fall, wenn der Abstand der Flussmessspulen voneinander in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine ein ganzzahliges Vielfaches der Rotor-Polteilung beträgt, und die Flussmessspulen entweder gleichsinnig oder ungleichsinnig in Serie verschaltet sind, je nachdem der Abstand ein ungeradzahliges oder geradzahliges Vielfaches der Rotor-Polteilung beträgt. Beim Vorliegen eines Wicklungsschlusses im Stator wird hingegen ein Wechselspannungssignal in der Flussmessspulenanordnung induziert. Da die störenden Stator-Unrundheiten typischerweise Verformungen auf einer Größenskala darstellen, die wesentlich größer ist als die Rotor-Polteilung, wirkt sich eine eventuell vorhandene Stator-Unrundheiten oder Exzentrizität bei dieser Verschaltung nur schwach auf das Messsignal aus. Diese Grundidee kann um weitere solche hintereinander geschaltete Spulenpaare erweitert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
- 1 ein Schnitt durch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen System;
- 2 ein Stator einer elektrischen Maschine in Seitenansicht.
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Die Darstellung von 1 zeigt einen Schnitt durch eine elektrische Maschine senkrecht zur Drehachse mit einem erfindungsgemäßen System zur Detektion von Windungsschlüssen. Dabei ist der Stator der elektrischen Maschine mit 1 bezeichnet. Der Stator 1 umfasst ein Stator-Blechpaket und umschlingt einen Rotor, welcher mit 2 bezeichnet ist. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Polen. Im Beispiel von 1 beträgt die Anzahl der Pole 8, von denen nur einer beispielhaft mit 21 bezeichnet ist. Es ist klar, dass das erfindungsgemäße System nicht auf elektrische Maschinen mit dieser Pol-Zahl beschränkt ist, sondern auf alle denkbaren elektrischen Maschinen mit beliebiger Pol-Zahl angewendet werden kann. Das erfindungsgemäße System umfasst 8 Flussmessspulen, d.h. 4 Flussmessspulenpaare. Die Flussmessspulen sind mit 11 bis 18 bezeichnet. Die Windungen der Flussmessspulen befinden sich jeweils in einer Ebene, die jeweils axial-radial ausgerichtet ist, so dass Flussmesssplen in der Darstellung der 1 als radiale Linien erscheinen. Aus 1 ist ersichtlich, dass der Abstand zwischen benachbarten Flussmessspulen in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine jeweils gleich ist und eine Pol-Teilung beträgt. Da die Anzahl der Flussmessspulen der Anzahl der Rotor-Pole entspricht, ergibt sich dadurch eine gleichmäßige Anordnung der Flussmessspulen in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine im Bereich des Stators und der Abstand zwischen den einzelnen Flussmessspulen beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Pol-Teilung. Es ist dabei klar, dass der Begriff „Abstand in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine“ als Winkelabstand aufzufassen ist.
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Das erfindungsgemäße System umfasst wenigstens ein Flussmessspulenpaar, d.h. es würde genügen, wenn in 1 beispielsweise nur die Spulen 11 und 12 oder 11 und 13 vorhanden wären. Dabei ist nur zu beachten, dass der Abstand zwischen den Spulen in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine ein ganzzahliges Vielfaches der Pol-Teilung beträgt. Im Beispiel von 1 beträgt die Pol-Zahl 8 und daher entspricht die Pol-Teilung einem Winkel von 45°.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems ist es günstig, zunächst den einfachsten Fall zu betrachten, d.h. das System umfasst nur ein Flussmessspulenpaar beispielsweise nur die Spulen 11 und 12 oder 11 und 13. Das erfindungsgemäße System umfasst wenigstens ein Messgerät, das in der Lage ist, ein Messsignal zu generieren, das proportional zur Änderung des magnetischen Flusses in den Flussmessspulen ist. Das Messgerät ist in 1 mit 3 bezeichnet. In der Regel wird es sich dabei um ein Spannungsmessgerät handeln, welches die in den Flussmessspulen induzierte Spannung misst und in ein entsprechendes Messsignal umwandelt. Die beiden Spulen werden so mit dem Messgerät 3 verbunden, dass unter der Voraussetzung einer idealen elektrischen Maschine während dem Betrieb der elektrischen Maschine kein Messsignal vom Messgerät 3 erzeugt wird. Im Fall, dass der Abstand in Umfangsrichtung ein ungeradzahliges Vielfaches der Pol-Teilung beträgt, wie z.B. zwischen den Spulen 11 und 12, könnten die Spulen gleichsinnig in Serie verschaltet mit dem Messgerät 3 verbunden werden, da sich so in einer idealen elektrischen Maschine die während dem Betrieb induzierten Spannungen in den Spulen 11 und 12 dann zu jedem Zeitpunkt zu Null addieren. Das Messgerät 3 könnte genauso gut ein sogenanntes Differenzmessgerät sein, welches über zwei Messkanäle verfügt und das in der Lage ist, die Differenz oder auch die Summe der an den Messkanälen anliegenden Spannungen zu bilden. In diesem Fall müssen die Spulen 11 und 12 nur irgendwie mit jeweils einem Messkanal verbunden werden und das Messgerät 3 so eingestellt werden, dass das Messsignal zu Null wird. Im Fall, dass der Abstand in Umfangsrichtung ein geradzahliges Vielfaches der Pol-Teilung beträgt, wie z.B. zwischen den Spulen 11 und 13, könnten die Spulen ungleichsinnig in Serie verschaltet mit dem Messgerät 3 verbunden werden, da sich so in einer idealen elektrischen Maschine die während dem Betrieb induzierten Spannungen in den Spulen 11 und 13 dann zu jedem Zeitpunkt zu Null addieren. Wenn ein Differenzmessgerät verwendet wird, gilt analog das für den vorigen Fall Gesagte. Wird trotz der beschriebenen Anordnung von Spulen und Messgerät ein von Null verschiedenes Spannungssignal gemessen, so bedeutet das, dass sich die magnetischen Flüsse in den beiden Spulen des Flussmessspulenpaares unterscheiden, und mithin eine Abweichung von der idealen elektrischen Maschine vorliegt. Die Erfinder konnten mit einer Finite-Elemente-Simulation zeigen, dass das erfindungsgemäße System das Vorliegen eines Windungsschlusses im Stator sicherer von einer anderen Abweichung von der Idealität, wie z.B. einer Stator-Unrundheit, unterscheiden kann, als das bekannte Verfahren, das auf der Auswertung von Asymmetrien der Stator-Wicklungsphasen beruht.
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Das erfindungsgemäße System kann vorteilhaft mehr als ein Spulenpaar umfassen. Dadurch kann einerseits der Stator an mehr als einer Stelle untersucht werden und andererseits das Messsignal verbessert werden, indem mehr als ein Spulenpaar zur Generierung des Messsignals verwendet wird. Der erste Vorteil kann dadurch erzielt werden, dass jedes Spulenpaar separat ausgewertet wird. Dazu kann pro Spulenpaar ein separates Messgerät verwendet werden, oder ein Messgerät mit entsprechend vielen Eingangskanälen. Dabei wird jedes Spulenpaar gemäß dem im vorherigen Abschnitt dargelegten Regeln mit dem Messgerät bzw. den Messgeräten verbunden. In Bezug auf 1 könnten beispielsweise die Spulen 11 und 12 gleichsinnig in Serie mit einem ersten Messgerät, die Spulen 13 und 14 gleichsinnig in Serie mit einem zweiten Messgerät, die Spulen 15 und 16 gleichsinnig in Serie mit einem dritten Messgerät und die Spulen 17 und 18 gleichsinnig in Serie mit einem vierten Messgerät verbunden sein. Der zweite Vorteil kann dadurch erzielt werden, dass alle Spulen der Spulenpaare in Serie geschaltet mit einem einzigen Messgerät 3 verbunden werden. Dabei ist jeweils die Orientierung der einzelnen Spulen in der Messserie so zu wählen, dass unter der Voraussetzung einer idealen Maschine sich alle induzierten Spannungen zu Null addieren. In Bezug auf 1 könnten so beispielsweise Spule 12 gleichsinnig, Spulen 13 und 14 jeweils ungleichsinnig, Spulen 15 und 16 jeweils gleichsinnig, Spulen 17 und 18 jeweils ungleichsinnig in Bezug auf Spule 11 in Serie verschaltet mit dem Messgerät 3 verbunden sein. Aus dem Gesagten kann der Fachmann problemlos weitere mögliche Anordnungen gewinnen, die auf der erfinderischen Idee beruhen.
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Es ist noch zu erwähnen, dass nur für diejenigen Spulen, die gemeinsam ausgewertet werden sollen, die Bedingung erfüllt sein muss, dass der Abstand zwischen den Spulen in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine ein ganzzahliges Vielfaches der Pol-Teilung beträgt. So könnte ein erfindungsgemäßes System nur zwei Flussmessspulenpaare, beispielsweise 11 und 12 und 13 und 14, umfassen, wobei jeweils ein Paar durch ein Messgerät separat ausgewertet wird. Dann müssen die Abstände zwischen Spule 11 und 12 und zwischen Spule 13 und 14 jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Pol-Teilung sein. Der Abstand zwischen Spule 11 und Spule 13 kann jedoch beliebig gewählt werden.
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Im Folgenden wird auf die Anordnung der Spulen am Stator 1 bzgl. der axialen Lage eingegangen.
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2 zeigt einen Stator einer elektrischen Maschine in Seitenansicht. Der Stator ist mit 1 bezeichnet. Die gestrichelte Linie deutet die Drehachse der elektrischen Maschine an. Das Blechpaket des Stators 1 umfasst mehrere Teilpakete, welche mit 111 bis 115 bezeichnet sind. Das Blechpaket eines Stators 1 kann natürlich auch nur ein einziges (Teil-)Paket umfassen. Das Blechpaket wird durch die Statordruckplatten zusammen gehalten, welche mit 116 und 117 bezeichnet sind.
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Die Flussmessspulen können ein oder mehrere Teilpakete umschlingen. In diesem Fall reicht es in der Regel für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis aus, wenn die Flussmessspulen nur eine Windung aufweisen. Sollte der Messsignal-Pegel nicht ausreichen, kann die Anzahl der Windungen erhöht werden. Dabei bieten die in axialer Richtung am Rand des Stators liegenden Teilpakete die beste Zugänglichkeit. In 2 sind das die Teilpakete 111 und 115. Eine Umschlingung dieser Teilpakete durch die Flussmessspulen ist daher bei der Nachrüstung einer bestehenden Maschine mit dem erfindungsgemäßen System von Vorteil. Wird der Stator einer elektrischen Maschine neu aufgebaut, so können auch Teilpakte des Statorblechpaketes in der Maschinenmitte umschlungen werden. In 3 sind das die Teilpakete 112, 113 und 114.
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Die Flussmessspulen können sich auch im axialen Endbereich des Stators 1 befinden, ohne dass sie einen Teil des Blechpakets umschlingen. In 2 sind das die Bereiche oberhalb des Teilpaketes 111 und unterhalb des Teilpaketes 115. In diesem Fall können die Flussmessspulen als Luftspulen ausgebildet sein. Diese sind kostengünstig. Allerdings werden hohe Windungszahlen benötigt, um ausreichend störsichere Signalpegel zu erhalten. Die Flussmessspulen können auch als offene Eisenkernspulen mit laminierten Elektroblechen oder Ferritmaterial ausgebildet sein, was den Vorteil hat, dass durch die Flusskonzentration höhere Signalpegel erzielt werden. Die Flussmessspulen können sich außerhalb der Statordruckplatten (116, 117) befinden, was in einer sehr guten Zugänglichkeit resultiert. Allerdings herrscht dort eine geringe Feldstärke und der Einfluss der Druckplattenteilung kann die Feldverteilung beeinflussen, so dass es am Umfang des Stators zu Flussabweichungen kommen kann, was die Messung negativ beeinflusst. Die Flussmessspulen können sich auch zwischen dem Statorblechpaket und den Statordruckplatten (116, 117) befinden. Dort ist die Feldverteilung nahezu proportional zum Feld im Statorjoch und es ist kein Eingriff in den Luftspalt notwendig. Allerdings ist die Zugänglichkeit etwas schlechter als außerhalb der Statordruckplatten (116, 117). Zwischen Statordruckplatten (116, 117) und dem Statorblechpaket ist entgegen der schematischen Darstellung von 2 in der Regel genug Raum vorhanden, um die Flussmessspulen unterzubringen.
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Es ist denkbar, dass an beiden Enden des Stators Luftspulen und zusätzlich Spulen im Inneren des Stators angeordnet werden, die ein oder mehrere Teilpakete des Statorblechpaketes umschlingen. Daher kann die Gesamtzahl der verbauten Flussmessspulen prinzipiell höher als die Anzahl der Pole des Rotors sein. Allerdings ist es im Sinne der Wirtschaftlichkeit vorteilhaft, wenn nur so viele Flussmessspulen verbaut werden, dass eine zuverlässige Detektion von Windungsschlüssen gewährleistet ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es zu Erfüllung der Bedingung, dass sich die induzierte Spannungen zweier Flussmessspulen, die gemeinsam ausgewertet werden, unter Voraussetzung einer idealen elektrischen Maschine zu Null addieren, von Vorteil ist, dass diese beiden Flussmessspulen identisch aufgebaut und gleichartig angeordnet sind, d.h. eine gleich Windungszahl aufweisen, einen vergleichbaren Bereich des Stators umschlingen und hinsichtlich eines eventuell vorhanden Kerns gleich aufgebaut sind. Dies ist zur Umsetzung des erfinderischen Gedankens jedoch nicht zwingen notwendig, da die obige Bedingung auch anders erfüllt werden kann - zugegebenermaßen mit erhöhtem technischen Aufwand. So könnte z.B. eine der Flussmessspulen ein Teilpaket des Stators umschlingen und zwei Windungen aufweisen, während die zugehörige andere Flussmessspule zwei Teilpakete des Stators umschlingt und nur eine Windung aufweist. Der Fachmann kann problemlos weitere Anordnungen für Flussmessspulenpaare mit unterschiedlich ausgeprägten Flussmessspulen finden, die die oben genannte Bedingung erfüllen. Entsprechendes gilt für den Fall, dass mehr als ein Flussmessspulenpaar gemeinsam ausgewertet wird.
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Das beschriebene System eignet sich auch zur Erkennung von Windungsschlüssen in der Rotorwicklung. Zu diesem Zweck wird das Messsignal gezielt auf verschiedene Frequenzkomponenten hin analysiert. Durch das unterschiedliche Frequenzverhalten kann zuverlässig zwischen einem Windungsschluss im Stator und im Rotor unterschieden werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das Messgerät 3 über ein Frequenzanalysemodul verfügt, welches intern das Messsignal des Messgeräts 3 analysieren kann. Alternativ kann die Frequenzanalyse des Messsignals natürlich auch in einem separaten Modul erfolgen, welches in 1 mit 4 bezeichnet ist und mit dem Messgerät 3 verbunden ist.
