DE102017130130A1

DE102017130130A1 - Exciter of an electric machine

Info

Publication number: DE102017130130A1
Application number: DE102017130130.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Thaler; Stefan Heinz
Original assignee: Ate Antriebstechnik und Entw & Co KG GmbH; Ate Antriebstechnik und Entwicklungs & Co KG GmbH
Current assignee: Ate Antriebstechnik und Entw & Co KG GmbH; Ate Antriebstechnik und Entwicklungs & Co KG GmbH
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hilfserreger einer elektrischen Synchronmaschine mit Rotor und Stator, aufweisend wenigstens einen geblechten permeablen Polschuh, welcher lösbar verbindbar mit dem Rotor oder dem Stator ist, wobei der Polschuh aufweisend wenigstens zwei Permanentmagnete und eine Magnetfeld regulierende Beeinflussungswicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Permanentmagnete im Inneren des Polschuhs in wenigstens einem entsprechend geformten Hohlraum aufgenommen sind und die Beeinflussungswicklung um den Polschuh herum gewickelt ausgebildet ist, wobei eine Deckfläche des Polschuhs über die Beeinflussungswicklung hinausragend ausgebildet ist.The present invention relates to an auxiliary exciter of an electric synchronous machine with rotor and stator, comprising at least one laminated permeable pole piece, which is detachably connectable to the rotor or the stator, wherein the pole piece comprising at least two permanent magnets and a magnetic field regulating influencing winding, characterized in that the at least two permanent magnets are received in the interior of the pole piece in at least one correspondingly shaped cavity and the influencing winding is formed wound around the pole piece, wherein a top surface of the pole piece is formed projecting beyond the influencing coil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hilfserreger einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehstromsynchronmaschine, ganz besonders eines Generators einer Wasserkraftanlage, wobei dieser Hilfserreger insbesondere im Hinblick auf Blindleistung optimiert ist.The present invention relates to an auxiliary exciter of an electrical machine, in particular a three-phase synchronous machine, in particular a generator of a hydropower plant, said auxiliary exciter is optimized in particular with respect to reactive power.

Blindleistung und Blindstrom werden zur Erzeugung elektrostatischer oder elektromagnetischer Felder benötigt, die sich im Takt der Wechselspannung kontinuierlich auf- und wieder abbauen. Hierdurch pendelt Energie kontinuierlich zwischen Erzeuger und Verbraucher, was das Stromversorgungsnetz und die Erzeugeranlagen belastet. Bei zu hoher Blindleistung können zusätzliche apparative Anforderungen entstehen, um das Stromnetz nicht zu stark zu belasten.Reactive power and reactive current are required to generate electrostatic or electromagnetic fields that build up and decay continuously in time with the AC voltage. As a result, energy is continuously shuttling between the producer and the consumer, putting a strain on the power grid and the generating facilities. If the reactive power is too high, additional equipment requirements may arise in order not to overload the power grid too much.

Die momentanen Netzverhältnisse geben Netzspannung und -frequenz vor und erfordern bei Einspeiseanlagen mit mehr als 100 kW eine Blindleistungsregelung, die sowohl die kapazitive als auch die induktive Blindleistung erfasst und insbesondere zwischen cos(0,9)_kapazitiv und cos(0,9)_induktiv regelbar ist.The current network conditions dictate mains voltage and frequency and, for feed-in systems with more than 100 kW, require reactive power control, which measures both the capacitive and the inductive reactive power and in particular between cos (0.9) _capacitive and cos (0.9) _inductively controllable is.

Eine aktive kapazitive Blindleistungskompensationsanlage besteht aus einen kapazitiven Blindstrom aufnehmenden Kondensatoren, wobei eine größere kapazitive Blindleistung mit Überspannungen und regeltechnischen Schwierigkeiten verbunden ist und deshalb möglichst vermieden wird. Die großen Energieverbraucher versuchen daher den Blindleistungsbedarf möglichst gering zu halten, indem sie und beispielsweise eine Asynchronmaschine durch eine Kondensatorbatterie, eine Synchronmaschine oder einen Stromrichter zur Blindleistungskompensation ergänzen. Hierdurch pendelt die für die Erzeugung des magnetischen Feldes erforderliche Energie nur noch zwischen Asynchronmaschine und Kondensatorbatterie bzw. An active capacitive reactive power compensation system consists of a capacitive reactive current receiving capacitors, with a larger capacitive reactive power is associated with overvoltages and regulatory technical difficulties and therefore avoided as possible. The large energy consumers therefore try to keep the reactive power demand as low as possible by, for example, supplementing it with an asynchronous machine by means of a capacitor bank, a synchronous machine or a power converter for reactive power compensation. As a result, the energy required for the generation of the magnetic field oscillates only between asynchronous machine and capacitor bank or

Synchronmaschine hin und her, so dass der resultierende Strom, den die Asynchronmaschine dem Netz entnimmt, sinkt. Bei Systemen mit veränderlichem Blindleistungsbedarf ist der Einsatz eines geregelten Kompensators erforderlich, insbesondere mit Parallelschaltung von Kapazität und Induktivität.Synchronous machine back and forth, so that the resulting current, which takes the asynchronous machine from the grid, decreases. Systems with variable reactive power requirements require the use of a regulated compensator, in particular with parallel connection of capacitance and inductance.

Wasserkraftturbinen gehen üblicherweise mit einer Drehzahlvorgabe ans Netz. Dies erfordert eine Wahl der Polzahl, die den Netzfrequenzanforderung genüge leistet. Dies erfordert weiter eine einstellbare Generatorspannung, um einen geeigneten cos ϕ einstellen zu können. Die Höhe dieser Generatorspannung hängt auch vom Lastfall ab. Üblicherweise werden hierzu fremderregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine derartige Wasserkraftturbinen- und -generatorheinheit läuft oft im Teillast- bzw. Schwachlastbereich, wobei die Erregung jedoch stets vollständig vorliegen muss, um die Spannungsanforderungen des Netzes zu erfüllen. Die für die Erregung verwendete Erregerwicklung weist Ohmsche Verluste auf, so dass der Wirkungsgrad des Generators bei Schwachlast aufgrund der dennoch voll anfallenden Erregerverluste sinkt. Es ist daher bekannt, permanentmagneterregte Synchronmaschinen zu verwenden.Hydropower turbines usually go to the grid with a speed specification. This requires a choice of the number of poles that meets the grid frequency requirement. This further requires an adjustable generator voltage in order to set a suitable cos φ. The height of this generator voltage also depends on the load case. Usually, for this purpose, externally excited synchronous machines are used. Such a hydropower turbine and generator unit often runs in the part-load or low-load range, but the excitation must always be fully present in order to meet the voltage requirements of the network. The excitation winding used for the excitation has Ohmic losses, so that the efficiency of the generator at low load due to the fully incurred pathogen losses decreases. It is therefore known to use permanent magnet synchronous machines.

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen haben den Vorteil eines guten Wirkungsgrades auch bei Schwachleistung des Generators, die insbesondere bei wasserkraftbetriebenen Synchronmaschinen vorliegt. Sie haben jedoch auch den Nachteil, dass der Erregerfluss durch die permanente magnetische Erregung fest eingeprägt und somit auch die Generatorspannung fest vorgegeben ist. Koppelt man eine derartige Synchronmaschine direkt mit dem Netz, so stellt sich die Blindleistung in Abhängigkeit von der Spannung und der Generatorbelastung ein. Dies bedeutet bei Unterspannungslage und bei kleiner Generatorleistung eine erhebliche kapazitive Blindleistungslieferung ins Netz und bei Überspannungslage und bei hoher Generatorlast den Bezug einer erheblichen induktiven Blindleistung vom Netz. Daher ist eine Regelung der Blindleistung erforderlich und höchst wünschenswert.Permanent magnet synchronous machines have the advantage of good efficiency even with low power of the generator, which is particularly present in hydro-powered synchronous machines. However, they also have the disadvantage that the excitation flux is permanently impressed by the permanent magnetic excitation and thus the generator voltage is fixed. If such a synchronous machine is coupled directly to the network, the reactive power adjusts as a function of the voltage and the generator load. This means at low voltage and low generator power a significant capacitive reactive power delivery to the grid and at high voltage and high generator load the reference of a significant inductive reactive power from the grid. Therefore, reactive power control is required and highly desirable.

Bekannt sind ebenfalls Generatoren mit hybrider Erregung, also solche, die neben einem Permanentmagneten auch eine Beeinflussungswicklung aufweisen und damit den Vorteil eines guten Wirkungsgrades über den gesamten Leistungsbereich aufweisen bei gleichzeitiger Beeinflussbarkeit des Erregerfeldes, so dass sich die Spannungslage der Netze und die Blindleistung in gewissem Rahmen einstellen lässt.Also known are generators with hybrid excitation, ie those which have a influencing winding in addition to a permanent magnet and thus have the advantage of good efficiency over the entire power range with simultaneous influenceability of the excitation field, so that the voltage level of the networks and the reactive power to some extent can be set.

Aus der DE 10 2010 002 390 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem hybriderregten Generator bekannt, bei der Permanentmagnete in Magnettaschen von Rotorblechen aufgenommen sind, wobei die Erregerspule als Durchmesserspule ausgebildet ist, die in Nuten aufgenommen ist.From the DE 10 2010 002 390 A1 An electric machine with a hybrid-excited generator is known in which permanent magnets are received in magnetic pockets of rotor laminations, wherein the exciter coil is designed as a diameter coil, which is received in grooves.

Aus der EP 0 723 330 A2 ist bekannt, zwischen zweien einer Mehrzahl von Schenkel- bzw. Klauenpolen oberhalb einer Erregerwicklung Permanentmagnete in keilartigen Aufnahmen vorzusehen oder über seitliche Zwischenstücke zu haltern.From the EP 0 723 330 A2 It is known to provide between two of a plurality of thigh or claw poles above a field winding permanent magnets in wedge-like recordings or to hold on lateral spacers.

Aus der DE 10 2007 042 935 B3 ist eine permanenterregte Synchronmaschine offenbart, bei der eine Erregerwicklung des Erregers um je zwei Permanentmagnete gewickelt ist, die zueinander gewinkelt angeordnet und die in Nuten eines hervorstehenden Pols eingelassen sind. Die Erregerwicklung ist dabei eine Betriebswicklung, die zum Betrieb der Maschine erforderlich ist.From the DE 10 2007 042 935 B3 is a permanent-magnet synchronous machine disclosed in which a field winding of the exciter is wound around two permanent magnets, which are arranged at an angle to each other and which are embedded in grooves of a protruding pole. The excitation winding is an operating winding, which is required for the operation of the machine.

Aus der DE 26 35 300 A1 ist ein Läufer einer zweipoligen Synchronmaschine bekannt, der einen Permanentmagneten mit Erregerwicklung aufweist. From the DE 26 35 300 A1 is a rotor of a two-pole synchronous machine is known which has a permanent magnet with a field winding.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen konstruktiv verbesserten Hilfserreger einer elektrischen Maschine anzugeben, der zusätzlich zu einem Erreger wirkend ist und den Erreger bzw. dessen Erregerwicklung mit Gleichstrom versorgend ist.The invention has as its object to provide a structurally improved auxiliary exciter of an electrical machine, which acts in addition to a pathogen and the exciter or its field winding is supplied with direct current.

Diese Aufgabe wird bei einem Hilfserreger einer elektrischen Synchronmaschine dadurch gelöst, dass diese aufweist: einen Rotor und einen Stator, aufweisend wenigstens einen geblechten permeablen Polschuh, welcher lösbar verbindbar mit dem Rotor oder dem Stator ist, wobei der Polschuh wenigstens zwei Permanentmagnete und eine Wicklung aufweist, wobei die wenigstens zwei Permanentmagnete im Inneren des Polschuhs in wenigstens einem entsprechend geformten Hohlraum aufgenommen sind und die Wicklung als eine Beeinflussungswicklung um den Polschuh herum gewickelt ausgebildet ist, wobei eine Deckfläche des Polschuhs über die Beeinflussungswicklung hinausragend ausgebildet ist.This object is achieved with an auxiliary exciter of an electric synchronous machine in that it comprises: a rotor and a stator, comprising at least one laminated permeable pole piece, which is detachably connectable to the rotor or the stator, wherein the pole piece has at least two permanent magnets and a winding wherein the at least two permanent magnets are received in the interior of the pole piece in at least one correspondingly shaped cavity, and the coil is wound around the pole piece as an interference winding, wherein a top surface of the pole piece is formed protruding beyond the interference coil.

Mit großem Vorteil schlägt die Erfindung einen Hilfserreger einer elektrischen Synchronmaschine mit Rotor und Stator vor, welcher wenigstens einen konstruktiv einfachen, kompakten und mit dem Rotor oder Stator lösbar verbindbaren Polschuh aufweist, der eine sehr gute Beeinflussbarkeit des permanenten Erregerfeldes ermöglicht, wobei die Beeinflussungwicklung gerade keine Erregerwicklung, also keine Wirkwicklung im eigentlichen Sinne ist. Vielmehr ist sie erfindungsgemäß dazu ausgebildet und vorgesehen, das permanente Magnetfeld negativ oder positiv zu beeinflussen, um so eine einfache und schnelle Anpassung an die Anforderungen des Netzes zu ermöglichen, in das der Strom einer Synchronmaschine mit erfindungsgemäßem Hilfserreger gespeist wird. Die wenigstens zwei Permanentmagnete sind im Inneren des geblechten Polschuhs, insbesondere in einem dafür vorgesehenen, entsprechend geformten Hohlraum aufgenommen und damit optimal gehaltert und geschützt. Die Beeinflussungswicklung ist dabei so ansteuerbar, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, welches mit dem der mindestens zwei Permanentmagnete überlagert ist und somit das gesamte Magnetfeld des Hilfserregers beeinflussend ist. Entscheidend ist, dass das Magnetfeld der Beeinflussungswicklung dabei erfindungsgemäß sowohl positiv als auch negativ ist, wobei das Magnetfeld der Permanentmagnete das für den Betrieb des Hilfserregers bei weitem dominierende Magnetfeld ist. Ebenso kann das Magnetfeld der Beeinflussungswicklung bei Bedarf gleich null sein. Gleichzeitig kann die Beeinflussungswicklung problemlos um den Polschuh und den Permanentmagneten herumgewickelt werden, sodass durch die Anordnung eine optimale Beeinflussung des Magnetfeldes durch die Beeinflussungswicklung ermöglicht ist. Weiterhin ist durch eine über die Beeinflussungswicklung hinausragende Deckfläche des Polschuhs gewährleistet, dass die Beeinflussungswicklung am Polschuh vor möglichem Verrutschen gesichert ist und gleichzeitig mit Vorteil einen geordneten Magnetfluss ermöglicht, durch den die Streuung minimiert wird und bei dem der für die Beeinflussung des Permanentmagnetfeldes verwendete Anteil des Beeinflussungsmagnetfeldes erhöht ist.With great advantage, the invention proposes an auxiliary exciter of an electric synchronous machine with rotor and stator, which has at least one structurally simple, compact and releasably connectable to the rotor or stator pole piece, which allows a very good influenceability of the permanent field exciter, the influencing winding just no Excitation winding, so no real winding in the true sense. Rather, it is inventively designed and provided to affect the permanent magnetic field negative or positive, so as to allow a simple and quick adaptation to the requirements of the network, in which the power of a synchronous machine is fed with auxiliary exciter according to the invention. The at least two permanent magnets are received in the interior of the laminated pole piece, in particular in a designated, correspondingly shaped cavity and thus optimally supported and protected. In this case, the influencing winding can be controlled such that it generates a magnetic field which is superposed with that of the at least two permanent magnets and thus influences the entire magnetic field of the auxiliary exciter. It is crucial that the magnetic field of the influencing winding according to the invention is both positive and negative, wherein the magnetic field of the permanent magnets is the by far the dominant magnetic field for the operation of the auxiliary exciter. Likewise, the magnetic field of the influencing winding can be zero if necessary. At the same time, the influencing winding can easily be wound around the pole piece and the permanent magnet, so that the arrangement allows optimal influencing of the magnetic field by the influencing winding. Furthermore, a covering surface of the pole piece projecting beyond the influencing winding ensures that the influencing winding on the pole piece is prevented from slipping and at the same time advantageously permits an ordered magnetic flux, by which the scattering is minimized and in which the proportion of the component used for influencing the permanent magnetic field is minimized Influencing magnetic field is increased.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polschuh im axialen Querschnitt in etwa trapezförmig ausgebildet ist, wobei seine Grundfläche als Zylindermantelflächenabschnitt ausgebildet ist und seine Deckfläche dachförmig, insbesondere bogendachförmig ausgebildet ist. Hierdurch ist er platzsparend und möglichst dicht benachbart zu angrenzenden Polschuhen einsetzbar, so dass neben Schenkelpolmaschinen auch Vollpolmaschinen realisierbar sind. Die Grundfläche weist dabei in Einbaulage zu dem Stator, die Deckfläche zu dem Rotor. Eine umgekehrte Anordnung des Polschuhs am Rotor ist ebenfalls erfindungsgemäß.In an embodiment of the invention it is provided that the pole piece in the axial cross-section is approximately trapezoidal in shape, wherein its base is formed as a cylinder surface portion and its top surface is roof-shaped, in particular arched roof-shaped. As a result, it is space-saving and can be used as close as possible adjacent to adjacent pole shoes, so that in addition to salient poles and Vollpolmaschinen can be realized. The base has in the installed position to the stator, the top surface to the rotor. A reverse arrangement of the pole piece on the rotor is also according to the invention.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hohlraum geschlossene oder offene Streustege aufweist. Dabei sind die offenen Streustege vorzugsweise zur Seitenfläche hin geöffnet. Eine Ausgestaltung mit geschlossenen oder offenen Streustegen ermöglicht eine Einstellung der Beeinflussung des Magnetfeldes der Permanentmagnete durch das Magnetfeld der Beeinflussungswicklung, da je nach Ausgestaltung der Streustege das Austreten des Magnetfeldes gezielt gerichtet ausgebildet ist.Furthermore, it is inventively provided that the cavity has closed or open scattering amounts. The open scattering amounts are preferably opened to the side surface. An embodiment with closed or open scattering ridges makes it possible to adjust the influence of the magnetic field of the permanent magnets by the magnetic field of the influencing winding, since, depending on the design of the scattering rungs, the leakage of the magnetic field is deliberately directed.

Mit großem Vorteil schlägt die Erfindung vor, dass ein Radius der Deckfläche des Polschuhs und ein Radius einer Deckfläche eines Statorpols zueinander unterschiedlich sind. Dabei sind die Radien vorzugsweise so gewählt, dass ein Abstand oder Luftspaltfeld sinusförmig ist und eine geringe Anzahl von Feldoberwellen aufweist, sodass unter anderem Drehmomentschwankungen und Geräusche gering gehalten sind.With great advantage, the invention proposes that a radius of the top surface of the pole piece and a radius of a top surface of a stator pole are different from each other. The radii are preferably selected so that a distance or air gap field is sinusoidal and has a small number of field harmonics, so that among other things torque fluctuations and noise are kept low.

Ebenso ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn eine Breite des Polschuhs und eine Breite eines Statorpols zueinander unterschiedlich sind. Dabei ist es bei Synchronmaschinen insbesondere von Vorteil, wenn eine Rotorpolbreite größer ist als eine Statorpolbreite, da so das Rastmoment steigt, sodass ein Einrasten vom Drehstrom oder dem rotierenden Magnetfeld im Stator mit dem Rotor begünstigt ist.Likewise, it is particularly advantageous according to the invention if a width of the pole piece and a width of a stator pole are different from each other. In the case of synchronous machines, it is particularly advantageous if a rotor pole width is greater than a stator pole width, since in this way the cogging torque increases, so that a latching of the three-phase current or the rotating magnetic field in the stator with the rotor is favored.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei, in einem Winkel zueinander angeordnete Permanentmagnete im Inneren des Polschuhs vorgesehen sind, wobei der Winkel vorzugsweise in Richtung auf die Grundfläche geöffnet ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders homogenes und wirksames permanentes Erregerfeld ohne Erregerleistung. Die Permanentmagnete sind dabei plattenförmig ausgebildet, wobei bei jedem Permanentmagneten jeweils eine seiner Plattenhauptflächen zu dem anderen Permanentmagneten weist, während die andere Plattenhauptfläche von diesem weg weisend orientiert ist. Der Winkel, den diese beiden Permanentmagnete zwischen sich bilden und der in Richtung auf die Grundfläche geöffnet ist, kann spitz oder stumpf sein, solange er vorhanden ist und nicht die Permanentmagnete zueinander parallel angeordnet sind. Erfindungsgemäß wäre auch eine Anordnung, bei der der Winkel von der Grundfläche weg weisend und damit in Richtung auf die Deckfläche weisend ist.In an embodiment of the invention, it is provided that two, at an angle to each other arranged permanent magnets are provided in the interior of the pole piece, wherein the angle is preferably designed to be open in the direction of the base surface. This results in a particularly homogeneous and effective permanent field excitation without excitation. The permanent magnets are plate-shaped, wherein in each permanent magnet one of its plate main faces to the other permanent magnet, while the other main plate surface is oriented away from this. The angle which these two permanent magnets form between them and which is open in the direction of the base can be pointed or obtuse, as long as it is present and the permanent magnets are not arranged parallel to one another. According to the invention would also be an arrangement in which the angle is facing away from the base and thus pointing in the direction of the top surface.

Sind mindestens zwei einander gegenüberliegende Seitenwände zur Grundfläche und zur Deckfläche jeweils zurückspringend ausgebildet, so wird hierdurch mit großem Vorteil eine Führung für die Wicklungen der Beeinflussungswicklung gebildet, da die Grund- und die Dachfläche über diese zurückspringenden Seiten hinausragen und damit Anschlagstege für den Wicklungsdraht bilden.If at least two mutually opposite side walls to the base and the top surface each formed a spring back, so this is a great advantage a guide for the windings of the influencing winding formed because the ground and the roof surface protrude beyond these recessed sides and thus form stop webs for the winding wire.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polschuh auf seiner Grundfläche einen Dämpferkäfig aufweist, insbesondere einen in entsprechend geformte Aufnahmenuten des Polschuhs eingefügten Dämpferkäfig. Dieser Dämpferkäfig dämpft im Generatorbetrieb die inversen Felder, die einen Strom in der Dämpferwicklung verursachen, dessen Frequenz doppelt so groß wie die Netzfrequenz ist. Die Dämpferwicklung wird hierbei mit geringem Widerstand ausgeführt, um die Verluste gering zu halten.In a further development of the invention, it is provided that the pole piece has a damper cage on its base, in particular a damper cage inserted into correspondingly shaped receiving grooves of the pole piece. In generator operation, this damper cage damps the inverse fields which cause a current in the damper winding whose frequency is twice as high as the mains frequency. The damper winding is carried out here with little resistance in order to keep the losses low.

Besonders vorteilhaft ist auch die Ausgestaltung der Erfindung, wonach der Dämpferkäfig innerhalb der von den Permanentmagneten begrenzten Winkelöffnung angeordnet ist. Dies führt zu einem kompakten Polschuh.Particularly advantageous is the embodiment of the invention, according to which the damper cage is disposed within the bounded by the permanent magnet angle opening. This leads to a compact pole piece.

Erfindungsgemäß ist eine hinterschnittene Nut im Polschuh auf seiner vom Dämpferkäfig weg gerichteten Deckflächenseite, die zur Fixierung auf einem Rotorträger dient und den Polschuh so leicht formschlüssig aufschiebbar macht.According to the invention, an undercut groove in the pole piece on its side facing away from the damper cage deck surface side, which serves for fixation on a rotor carrier and makes the pole piece so easily form-fitting pushed.

Erfindungsgemäß ist auch eine Synchronmaschine, insbesondere eine Drehstromsynchronmaschine, ganz besonders ein Generator einer Wasserkraftanlage, ausgestattet mit dem zuvor beschriebenen Hilfserreger sowie die Verwendung dieses Hilfserregers in einer solchen Synchronmaschine.Also according to the invention is a synchronous machine, in particular a three-phase synchronous machine, very particularly a generator of a hydroelectric power plant, equipped with the previously described auxiliary exciter and the use of this auxiliary exciter in such a synchronous machine.

Erfindungsgemäß ist schließlich noch ein Verfahren zum Betreiben des zuvor beschriebenen Hilfserregers, verbunden mit einem Erreger und einer Synchronmaschine, nach dem in der Ankerwicklung im Rotor des Hilfserregers durch das Magnetfeld des bzw. der Permanentmagnete des Stators ein Strom erzeugt wird, wobei das Magnetfeld der Permanentmagnete und der durch dieses induzierte Strom durch ein Anlegen eines Stromes an die Beeinflussungswicklung des Hilfserregers verstärkt oder gedämpft wird, bzw. bei dem an die Beeinflussungwicklung gerade kein Strom angelegt wird, so dass auch keine Beeinflussung durch die Beeinflussungswicklung erfolgt.Finally, according to the invention, a method for operating the auxiliary exciter described above, connected to an exciter and a synchronous machine, according to which in the armature winding in the rotor of the exciter by the magnetic field of the permanent magnet or the stator, a current is generated, wherein the magnetic field of the permanent magnets and the current induced by this current is amplified or attenuated by applying a current to the influencing winding of the auxiliary exciter, or in which no current is currently applied to the influencing winding, so that there is no influence from the influencing winding.

Der Hilfserreger ist dabei erfindungsgemäß so mit einer Erregermaschine verbunden, dass der in der Ankerwicklung des Rotors des Hilfserregers erzeugte Strom in eine Wicklung der Erregermaschine gespeist wird. Dieser Strom wird durch einen Gleichrichter in Gleichstrom gewandelt und verstärkt oder schwächt ein in dem Rotor der Synchronmaschine erzeugtes Magnetfeld, das seinerseits einen Drehstrom in einer Ankerwicklung im Stator der Synchronmaschine erzeugt. Die Übertragung kann so bürstenlos erfolgen.According to the invention, the auxiliary exciter is connected to an exciter machine such that the current generated in the armature winding of the rotor of the auxiliary exciter is fed into a winding of the exciter machine. This current is converted by a rectifier into direct current and amplifies or attenuates a magnetic field generated in the rotor of the synchronous machine, which in turn generates a three-phase current in an armature winding in the stator of the synchronous machine. The transmission can be made brushless.

Durch die variable Beeinflussung des Magnetfeldes der Permanentmagnete des Hilfserregers ist eine Blindleistungsregelung ermöglicht, die sowohl die kapazitive als auch die induktive Blindleistung erfasst und insbesondere zwischen cos(0,9)_kapazitiv und cos(0,9)_induktiv regelbar ist. und bei der, insbesondere bei Einsatz des Verfahrens bei Wasserkraftturbinen den Netzfrequenzandforderungen genüge leistet und eine einstellbare Generatorspannung ermöglicht, um einen geeigneten cos ϕ einstellen zu können. So können sowohl Teil- bzw. Schwachlastbetriebszustände als auch Starklastbetriebszustände jeweils mit vollständiger Erregung erfolgen. Eine variable Generatorspannung wird mit Vorteil durch einen variablen Erregerfluß erreicht, der sich aus der fest eingeprägten permanenten magnetischen Erregung ergibt und deren Veränderung in positiver, negativer oder Nullrichtung mittels der Beeinflussungswicklung.Due to the variable influence of the magnetic field of the permanent magnets of the auxiliary exciter, a reactive power control is possible, which detects both the capacitive and the inductive reactive power and in particular between cos (0.9) _capacitive and cos (0.9) is _inductively controlled. and in which, in particular when using the method in hydropower turbines the Netzfrequenzandforderungen satisfies and allows an adjustable generator voltage to set a suitable cos φ. Thus, both partial or low load operating conditions as well as heavy load operating states can be carried out in each case with complete excitation. A variable generator voltage is advantageously achieved by a variable excitation flux, which results from the permanently impressed permanent magnetic excitation and their change in the positive, negative or zero direction by means of the influencing winding.

Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren einer Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.The invention will be described by way of example in a preferred embodiment with reference to the figures of a drawing, wherein further advantageous details are shown in the figures of the drawing.

Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.Functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

1: eine perspektivische skizzenhafte Ansicht einer ersten Ausführungsform mit teilweise ausgeblendeter Beeinflussungswicklung,
2: eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Polschuhs ohne Beeinflussungswicklung,
3: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hilfserregers mit Streustegen gemäß einer ersten Ausführungsform und
4: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hilfserregers mit Streustegen gemäß einer zweiten Ausführungsform.

The figures of the drawing show in detail:

1 FIG. 2 is a perspective sketch view of a first embodiment with partially hidden influencing winding, FIG.
2 : a perspective view of the pole piece according to the invention without influencing winding,
3 FIG. 2: a schematic view of an auxiliary exciter according to the invention with scatter stems according to a first embodiment and FIG
4 : A schematic view of an auxiliary exciter according to the invention with scatter stems according to a second embodiment.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hilfserreger 1, bzw. dessen Polschuh 4. Dieser ist geblecht ausgebildet und permeabel. Er weist eine Beeinflussungswicklung 6 auf, die zum Teil ausgeblendet ist und die erfindungsgemäß dazu vorgesehen ist, das Magnetfeld ebenfalls vorhandener Permanentmagnete zu dämpfen oder zu verstärken, die eigentliche Erregung ist dabei über die Permanentmagnete erfolgend. Die zwei Permanentmagnete 5 sind zueinander gewinkelt im Inneren des Polschuhs 4 jeweils in einem Hohlraum 7 mit korrespondierenden Maßen aufgenommen. Der Polschuh 4 ist im axialen Querschnitt in etwa trapezförmig ausgebildet, wobei seine Deckfläche 8 dachförmig, insbesondere bogendachförmig ausgebildet ist und seine Grundfläche 9 als Zylindermantelflächenabschnitt ausgebildet ist und im Benutzungsfall diejenige Seite bildet, die zu einem Stator 3 gerichtet ist. In diese Grundfläche 9 sind Aufnahmenuten 15 eingeformt, in die ein Dämpferkä 14 eingefügt ist. Der Dämpferkä14 kann dabei erfindungsgemäß formschlüssig oder stoffschlüssig eingefügt sein, seine Stäbe sind nicht vollumfänglich von Polschuhmaterial umgeben. Der Dämpferkä14 ist dabei im Bereich der Winkelöffnung der beiden Permanentmagnete 5 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel 12 in Richtung auf die Grundfläche 9 geöffnet, er könnte erfindungsgemäß jedoch auch zur gegenüberliegenden Seite des Polschuhs 4 geöffnet sein. Dieser Winkel 12 legt die permanenten Erregereigenschaften des Polschuhs 4 fest und wird daher entsprechend dem späteren Verwendungszweck gewählt werden. Je flacher der Winkel 12 wird, umso näher liegen die Permanentmagnete 5 zur Grundfläche 9, je steiler, umso weiter weg. Erfindungsgemäß sind auch mehr als zwei Permanentmagnete 5 pro Polschuh 4, solange sie in dessen Inneren aufgenommen sind und solange sie nicht in einer zur Grundfläche 9 senkrechten Ebene angeordnet sind. 1 shows an exciter according to the invention 1 , or its pole piece 4 , This is laminated and permeable. He has an influencing development 6 on, which is partially hidden and the invention is intended to attenuate or amplify the magnetic field also existing permanent magnets, the actual excitation is taking place on the permanent magnets. The two permanent magnets 5 are angled to each other inside the pole piece 4 each in a cavity 7 recorded with corresponding dimensions. The pole piece 4 is formed in the axial cross-section approximately trapezoidal, with its top surface 8th roof-shaped, in particular arched roof-shaped and its base 9 is designed as a cylinder surface area section and forms in the case of use that side which is a stator 3 is directed. In this base 9 are recording grooves 15 molded, in a damper kä 14 is inserted. The damper kä 14 In this case, according to the invention, it can be inserted in a form-fitting or cohesive manner, its bars are not completely surrounded by pole shoe material. The damper kä 14 is in the range of the angular opening of the two permanent magnets 5 arranged. In the illustrated embodiment, the angle 12 towards the base 9 opened, he could according to the invention, however, also to the opposite side of the pole piece 4 to be open. This angle 12 sets the permanent pathogen properties of the pole piece 4 fixed and will therefore be chosen according to the later intended use. The flatter the angle 12 is, the closer the permanent magnets 5 to the base area 9 the steeper the farther away. According to the invention, more than two permanent magnets 5 per pole shoe 4 as long as they are in its interior and as long as they are not in the ground 9 vertical plane are arranged.

1 zeigt weiter die Beeinflussungswicklung 6, die durch den Polschuh 4 selber seitlich geführt ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Paar einander gegenüberliegender Seitenwände 13 der vier Seitenwände des Polschuhs 4 zwischen Grundfläche 9 und Deckfläche 8 jeweils zurückspringend zu diesen ausgebildet sind. Hierdurch ragen diese beiden Flächen stegartig über die beiden Seitenwände 13 heraus und bilden so eine Anlageschulter für den Wickeldraht. Die Beeinflussungswicklung 6 wird bis an die obere Anlageschulter geführt, was der besseren Übersicht halber nicht dargestellt ist. Gut zu erkennen ist weiter die hinterschnittene Nut 16 im Bereich der Deckfläche 8, die zur Befestigung des Polsegments auf einem Rotorträger dient. 1 shows further the influencing development 6 , which is guided by the pole piece 4 itself laterally. This is inventively achieved in that a pair of opposing side walls 13 the four side walls of the pole piece 4 between base area 9 and top surface 8th each recessed to these are formed. As a result, these two surfaces protrude over the two side walls in a web-like manner 13 out and thus form a contact shoulder for the winding wire. The influencing development 6 is guided to the upper abutment shoulder, which is not shown for the sake of clarity. Good to see is the undercut groove 16 in the area of the top surface 8th , which is used to attach the pole segment on a rotor carrier.

2 zeigt den Polschuh 4 ohne Beeinflussungswicklung 6. Gut zu erkennen ist, dass die beiden Permanentmagnete 5 jeweils plattenartig und einander nicht berührend ausgebildet sind. Sie wiesen jeweils mit einem Ende, bzw. einer Kante in den Verbindungsbereich von Grundfläche 9 und Seite 13, der Winkel 12 beträgt hier in etwa 90°. Andere Winkel 12 sind ebenfalls erfindungsgemäß, insbesondere flachere wie 45°, 30°, 25° oder sogar 15°. 2 shows the pole piece 4 without influencing development 6 , Good to see is that the two permanent magnets 5 each plate-like and not touching each other are formed. They each had one end or edge in the connection area of the base area 9 and page 13 , the angle 12 here is about 90 °. Other angles 12 are also according to the invention, in particular flatter such as 45 °, 30 °, 25 ° or even 15 °.

Falls erforderlich, können anstelle eines Permanentmagneten 5 pro Winkelhälfte auch zwei oder drei vorgesehen sein, insbesondere zueinander parallel und insbesondere mit kleiner werdenden Abmessungen, so dass sich mehrere Lagen von Permanentmagneten 5 ausbilden, die pro Lage bevorzugt den selben Winkel 12 wie die dargestellte Lage aufweisen, sich nicht berühren und in den Verbindungsbereich weisen.If necessary, instead of a permanent magnet 5 two or three may be provided per angle half, in particular parallel to each other and in particular with decreasing dimensions, so that several layers of permanent magnets 5 form, which prefers the same angle per layer 12 as shown, do not touch and point in the connection area.

3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hilfserregers 1 mit Streustegen 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Während der Stator 3, von dem hier nur ein Statorpol gezeigt ist, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Ankerwicklung(en) aufweist, in der ein Drehstrom induziert wird, weist der Rotor 2 erfindungsgemäße Polschuhe 4 auf. Dabei ist der Radius der Grundfläche 9 des Polschuhs 4 kleiner als der Radius der Innenfläche des Stators 3, sodass ein Abstand oder Luftspaltfeld sinusförmig ist und eine Anzahl von Feldoberwellen reduziert ist. Die Polschuhe 4 weisen Permanentmagnete 5 auf, die in einem Hohlraum 7 angeordnet sind, wobei der Hohlraum 7 auf beiden Seiten nach außen hin geöffnet ist, also offene Streustege 10 aufweisend ist. Die gewinkelt angeordneten Permanentmagnete 5 sind im Inneren des geblechten Polschuhs 4 durch den Hohlraum 7 voneinander getrennt. Die Beeinflussungswicklung 6 ist so um den Polschuh 4 gewickelt, dass die offenen Streustege 10 durch die Beeinflussungswicklung 6 abgeschlossen sind, sodass das Magnetfeld der Permanentmagnete 5 durch die Beeinflussungswicklung 6 geordnet aus den Streustegen 10 austretend ist. 3 shows a schematic view of an auxiliary exciter according to the invention 1 with spreading stems 10 according to a first embodiment. While the stator 3 , of which only one stator pole is shown here, in the illustrated embodiment has the armature winding (s) in which a three-phase current is induced, the rotor has 2 Pole shoes according to the invention 4 on. Where is the radius of the base 9 of the pole piece 4 smaller than the radius of the inner surface of the stator 3 such that a space or air gap field is sinusoidal and a number of field harmonics are reduced. The pole shoes 4 have permanent magnets 5 on that in a cavity 7 are arranged, wherein the cavity 7 is open on both sides to the outside, so open scattered amount 10 having. The angled arranged permanent magnets 5 are inside the lathed pole shoe 4 through the cavity 7 separated from each other. The influencing development 6 is so around the pole piece 4 wrapped that the open scattering amount 10 through the influencing development 6 are completed, so that the magnetic field of the permanent magnets 5 through the influencing development 6 ordered from the scatter stems 10 is exiting.

4 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hilfserregers 1 mit Streustegen 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Polschuh 4 weist zwei Hohlräume 7 auf, die jeweils ein Permanentmagnet 5 aufnehmend sind. Die Streustege 10 sind dabei geschlossen, sodass das Magnetfeld der Permanentmagnete 5 geordnet aus den Streustegen 10 austretend ist und eine Anordnung der Beeinflussungswicklung 6 aufgrund einer derartigen Ausgestaltung der Streustege 10 nicht bis zur Grundfläche 9 notwendig ist. 4 shows a schematic view of an auxiliary exciter according to the invention 1 with spreading stems 10 according to a second embodiment. The pole piece 4 has two cavities 7 on, each one a permanent magnet 5 are accommodating. The scattering stake 10 are closed, so that the magnetic field of the permanent magnets 5 ordered from the scatter stems 10 is exiting and an arrangement of bias winding 6 due to such a design of the scattering amount 10 not to the ground 9 necessary is.

Die Erfindung ermöglicht mit großem Vorteil die Beeinflussung eines durch Permanentmagnete erzeugten, permanenten Hilfserregermagnetfeldes durch eine Beeinflussungswicklung, um so eine hinsichtlich Blindleistung optimierte Drehstromsynchronmaschine, insbesondere einen Generator einer Wasserkraftanlage, zu ermöglichen, wobei die Beeinflussungswicklung nur zu einem sehr geringen Anteil auch als Betriebswicklung aufzufassen ist. Ihre Hauptaufgabe liegt in der Beeinflussung des Permanentmagnetfeldes, sie wird erfindungsgemäß daher auch entsprechend angesteuert. Das durch die Beeinflussungswicklung erzeugte Magnetfeld kann dabei positiv, negativ oder gleich null sein.The invention makes it possible with great advantage to influence a permanent auxiliary magnetic field generated by permanent magnets by an influencing winding so as to enable a three-phase synchronous machine optimized in terms of reactive power, in particular a generator of a hydropower plant, whereby the influencing winding is to be understood as operating wind only to a very small extent , Your main task is to influence the permanent magnetic field, it is therefore according to the invention also driven accordingly. The magnetic field generated by the influencing winding can be positive, negative or zero.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Hilfserregerpilot exciter
22: Rotorrotor
33: Statorstator
44: Polschuhpole
55: Permanentmagnetpermanent magnet
66: Beeinflussungswicklunginfluencing winding
77: Hohlraumcavity
88th: Deckflächecover surface
99: GrundflächeFloor space
1010: Streustegspreading ridge
1111: Statorpolstator
1212: Winkelangle
1313: SeitenwandSide wall
1414: Dämpferkäfigdamper cage
1515: Aufnahmenutreceiving groove
1616: Hinterschnittene NutUndercut groove

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010002390 A1 [0009]
EP 0723330 A2 [0010]
DE 102007042935 B3 [0011]
DE 2635300 A1 [0012]

Claims

Auxiliary exciter (1) of a synchronous electric machine comprising a rotor (2) and a stator (3), comprising at least one laminated permeable pole piece (4) which is detachably connectable to the rotor (2) or the stator (3), wherein the pole piece (4) at least two permanent magnets (5) and a winding (6), characterized in that the at least two permanent magnets (5) are received in the interior of the pole piece (4) in at least one correspondingly shaped cavity (7) and the winding as Influencing winding (6) is formed wound around the pole piece (4) around, wherein a cover surface (8) of the pole piece (4) is formed projecting beyond the influencing winding (6).

Auxiliary agent (1) to Claim 1 , characterized in that the pole piece (4) in the axial cross-section is approximately trapezoidal, wherein its top surface (8) roof-shaped, in particular arched roof-shaped and its base (9) is formed as a cylinder surface surface portion.

Auxiliary agent (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that the cavity (7) has closed or open scattering ridges (10).

Auxiliary agent (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that a radius of the top surface (8) of the pole piece (4) and a radius of a top surface (8) of a stator pole (11) are different.

Auxiliary agent (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that a width of the pole piece (4) and a width of a stator pole (11) are different.

Auxiliary agent (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that two, at an angle (12) mutually angled permanent magnets (5) are provided in the interior of the pole piece (4), wherein the angle (12) is preferably designed to be open in the direction of the base surface (9).

Auxiliary agent (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that at least two opposing side walls (13) to the base (9) and the top surface (8) are each formed to spring back.

Exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the pole shoe (4) has on its base (9) a damper cage (14), in particular a damper cage (14) inserted into correspondingly shaped receiving grooves (15).

Auxiliary exciter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the damper cage (14) is arranged within the angular opening delimited by the permanent magnets (5).

Exciter (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the pole piece (4) has an undercut groove (16) for fixing on a rotor carrier on its cover surface side directed away from the damper cage (9).