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Anordnung zur meßtechnischen Erfassung und Überwachung von Luftspaltänderungen
elektrischer Maschinen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur meßtechnischen
Erfassung und Überwachung von Luftspaltänderungen elektrischer Maschinen, bei denen
im Luftspalt eine oder-mehrere Meßspulen in bestimmter Weise angebracht sind und
die in diesen induzierten Spannungen zur Feststellung von Luftspaltänderungen zwischen
dem Ständer und dem betriebsmäßig umlaufenden Läufer herangezogen werden. Nach der
Erfindung ist die Weite der Meßspule so gewählt, daß die von Luftspaltänderungen
hervorgerufenen Felder eine maximale Spannung und alle darüber hinaus noch im Luftspalt
auftretenden Felder eine minimale Spannung induzieren. Damit ist es möglich, eine
mechanische Luftspaltänderung über eine Spannung, deren Größe eindeutig von der
Größe der mechanischen Änderung bestimmt wird, anzuzeigen oder zu registrieren,
wobei es natürlich möglich ist, bei bestimmten Werten der Spannung und damit bei
bestimmten Größen der Luftspaltänderung Warn- und Abschalteinrichtungen zu betätigen.
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Infolge des kleinen Luftspaltes besteht bei elektrischen Maschinen
die Gefahr, daß bei Verschleiß oder Beschädigung der Lager, bei Fundamentabsetzungen,
bei Veränderungen von Welle oder Ständer, z. B. durch Erwärmung, der Läufer in der
Ständer bohrung streift, wodurch große Folgeschäden entstehen können, die nicht
selten eine vollständige Erneuerung von Ständerwicklung und Ständerblechpaket, unter
Umständen auch noch des Läufers, erfordern. Dadurch besteht in der Praxis seit langem
die Forderung, eventuelle Luftspaltänderungen auch während des Betriebes zu überwachen.
Es sind bereits mechanisch oder elektrisch arbeitende Überwachungseinrichtungen
bekanntgeworden, denen aber so erhebliche Nachteile anhaften, daß sie sich bisher
beim praktischen Betrieb elektrischer Maschinen nicht einführen konnten.
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Bei den mechanisch arbeitenden Kontrolleinrichtungen sind z. B. Kontaktfühler
oder Mikroschalter bekannt, mit deren Hilfe auf relativ einfache Weise in axialer
Nähe des Lagers eine Verlagerung der Welle gegenüber dem Lagergehäuse oder dem Funda
ment erfaßt werden kann, aber nur schwer ein Verzug bzw. Versatz des Ständers, Durchbiegungen
der Welle usw.
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Eine wesentlich umfangreichere Überwachung ist mit Kontaktfähnchen
möglich, die in den Luftspalt hineinragen und die bei einer entsprechenden Verkleinerung
des Luftspaltes an dieser Stelle die Läuferoberfläche streifen, wodurch Signal-
oder Abschalteinrichtungen betätigt werden können. Nachteilig sind aber hierbei
die erheblichen Montageschwierigkeiten, da die in den Nutenverschlußkeilen befestigten
Kontaktfähnchen nur vor Beschädigungen geschützt werden können, wenn sie nach der
Montage des Läufers angebracht werden.
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Der Nachteil aller dieser mechanischen Kontrolleinrichtungen liegt
darin, daß man nur ein einziges Signal bekommt, wenn die Anderung die eingestellte,
noch zugelassene Größe erreicht hat. Man erhält also keine Aussage über den zeitlichen
Verlauf der Änderung und kann somit auch nicht entscheiden, ob ein sofortiges Abschalten
der Maschine erforderlich ist oder ob man sich einen gewissen Notbetrieb leisten
kann. Eine solche zeitlich stetige Anzeige des Verlaufes eventueller Luftspaltänderungen
läßt sich praktisch wohl nur über elektrisch arbeitende tZberwachungseinrichtungen
erreichen, von denen die bisher bekanntgewordenen im folgenden angegeben sind.
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Es sind kapazitive und induktive Meßsonden bekannt, die im Luftspalt
angeordnet sind, so daß die Größe der Kapazität bzw. Selbstinduktivität von der
Luftspaltlänge an dieser Stelle abhängig ist. Dabei ist es aber unvermeidbar, daß
erhebliche Störspannungen im Frequenzbereich von etwa 25 bis 10 000 Hz in den Meßkreis
eingekoppelt werden. Die eingespeiste Meßspannung muß also hochfrequent sein, und
die Messung muß selektiv erfolgen. Mit diesen Meßeinrichtungen kann zwar im Gegensatz
zu den mechanischen eine stetige Anzeige eventueller Luftspaltänderungen erreicht
werden, nachteilig ist aber der hohe Geräteaufwand, der durch Frequenzgenerator,
Verstärker, Vergleichs- und Abstimmglieder usw. bedingt ist. Mit einer Meßsonde
kann man nur den Luftspalt an dieser Stelle überwachen, und man muß mindestens zwei
zueinander
rechtwinklig angeordnete Meßstellen anbringen, wenn das
eventuelle Auswandern des Läufers nach allen Richtungen kontrolliert werden soll.
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Weiter sind Verfahren bekannt, bei denen in im Ständer bzw. Läufer
an den verschiedenen Stellen des Umfanges angeordneten Hilfsspulen oder bei Niederspannungswicklungen
auch in Teilen der Betriebswicklung selbst Spannungen induziert werden, die den
zeitlichen Änderungen des von diesen Spulen umfaßten Luftspaltflusses proportional
sind. Es wird dabei vorausgesetzt, daß bei räumlich konstantem Luftspalt auch der
zeitliche Induktionsverlauf an jeder Stelle des Luftspaltes der gleiche ist und
somit die Spannungen, die in den verschiedenen Spulen induziert werden, bei konzentrischer
Lage des Läufers gleich groß und konstant sind. Bei räumlich unterschiedlichen Luftspaltlängen
sind auch die induzierten Spannungen unterschiedlich, und es sollen durch Vergleich
der in den verschiedenen Spulen gemessenen Spannungen oder durch entsprechende Gegeneinanderschaltung
der Spulen über die resultierende Differenzspannung die unterschiedlichen Luftspaltlängen
ermittelt werden. Da die vom Hauptfeld in diesen Spulen induzierten Spannungen sehr
groß sind gegenüber den durch Anderungen des Luftspaltes bedingten Unterschieden
derselben, läuft das bekannte Verfahren auf die Differenzbildung nahezu gleich großer
Werte hinaus und scheitert in der Ausführung damit an den praktisch erreichbaren
Genauigkeiten. Weiter ist die Differenzbildung der in den Spulen induzierten Spannungen,
wenn überhaupt, nur mit äußerst komplizierten Einrichtungen und über analytische
Methoden möglich, da in den Spulen eine Summe von Spannungskomponenten verschiedener
Frequenz und Phasenlage induziert wird, die zum Teil spannungs-, aber auch zum Teil
lastabhängig sind. Es ist nicht möglich, die Spulen so zu schalten, daß sich alle
die Messung störenden, also nicht durch Luftspaltänderungen bedingten Spannungskomponenten
aufheben.
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Nach ähnlichem Prinzip arbeitet eine weitere bekanntgewordene Einrichtung,
bei der ein oder mehrere Einzelleiter an verschiedenen Stellen des Bohrungsumfanges
angeordnet sind. Die in diesen Leitern induzierten Spannungen sind den zeitlichen
Anderungen des magnetischen Flusses in dem aus Leiter und Schaltanordnung gebildeten
Meßkreis proportional. Im bekannten Fall werden aber bei der Anordnung eines Leiters
lediglich der Jochfiuß und der Nutenquerfluß an einer Stelle des Umfanges und bei
Anordnung mehrerer Leiter der Jochfluß und der Nutenquertluß an verschiedenen Stellen
des Umfanges umschlungen, so daß Luftspaltänderungen nur dann erfaßt werden können,
wenn sich die zeitlichen Anderungen des Jochflusses an den betreffenden Stellen
gegenüber denen bei konzentrischer Lage des Läufers verändern. Da aber die durch
Luftspaltänderungen bewirkten Jochilußkomponenten gegenüber den übrigen Jochflußkomponenten,
vor allem denen des Hauptfeldes, und dem lastabhängigen Nutenquerfinß verschwindend
klein sind, ist die Messung praktisch nicht auswertbar.
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Eine selektive Messung über Frequenztrennung ist bei den bekannten
Spulen- oder Leiteranordnungen nicht möglich, da die durch die Luftspaltänderungen
bedingten Spannungskomponenten sich in ihrer Frequenz nicht von vielen übrigen,
wesentlich größeren Spannungskomponenten unterscheiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Drehfeldtheorie zugrunde, nach
der das gesamte Luftspaltfeld in räumlich sinusförmige Induktionsdrehwellen mit
verschiedenen Polpaarzahlen und Umlaufgeschwindigkeiten zerlegt und jeder Drehwelle
die sie erzeugende Ursache zugeordnet werden kann.
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Dabei zeigt sich, daß die durch statische Luftspaltänderungen bedingten
Grunddrehfelder, auf den Ständer bezogen, die gleiche Frequenz haben wie das Hauptfeld,
die Wicklungs- und Nutungsfelder des Ständers, nämlich Netzfrequenz fN, und daß
die Läuferrestfelder der durch statische Luftspaltänderungen bedingten Grunddämpferstrombeläge,
auf den Ständer bezogen, die gleiche Frequenz haben wie die Läuferrestfelder des
Hauptstrombelages und die Läufernutungsfelder, nämlich
Darin bedeutet 2p die Polzahl der Maschine, N" die Läufernutenzahl, s den Schlupf
und g eine ganze Zahl. Obwohl diese beiden Feldergruppen jeweils die gleiche Frequenz
besitzen, unterscheiden sich die durch Luftspaltänderungen bedingten Felder in ihren
Polpaarzahlen von den übrigen. Die durch dynamische Luftspaltänderungen bedingten
Drehinduktionswellen unterscheiden sich auch in ihrer auf den Ständer bezogenen
Frequenz von den betriebsmäßig auftretenden und auslegungsbedingten Feldern um plus
und minus fA, wenn fA die auf den Ständer bezogene Frequenz der dynamischen Luftspaltänderung
ist.
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Der Fortschritt der Erfindung beruht"nun auf der Anwendung der Erkenntnis,
daß bei nicht räumlich konstantem Luftspalt, z.B. exzentrischer Lage des Läufers,
zusätzliche Drehinduktionswellen bestimmter Polpaarzahl und Frequenz im Luftspalt
entstehen.
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Diese zusätzlichen Felder kann man in zwei Hauptgruppen unterteilen,
und zwar in das durch die Luftspaltänderung bedingte primäre Hauptfeld, das sogenannte
Exzentrizitätsgrundfeld, und in die Oberfelder dieses Grundfeldes, die sogenannten
Exzentrizitätsrestfelder.
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Über eine oder mehrere Meßschleifen, die in der Bohrung der Maschine
angebracht sind (s. Fig. 1), lassen sich diese Felder meßtechnisch erfassen. Die
Schwierigkeit liegt darin, daß außer den zu kontrollierenden, durch Luftspaltänderungen
bedingten Exzentrizitätsfeldern auch alle darüber hinaus noch im Luftspalt auftretenden
Felder in diesen Schleifen Spannungen induzieren. Eine Trennung über die Frequenz
ist nur bedingt möglich, da z. B. die Frequenzen aller Ständerfelder, auf den ruhenden
Ständer bezogen, gleich sind. Es werden deshalb außer den Frequenzen auch die Polpaarzahlen
bzw. die verschiedenen Wellenlängen zur getrennten Erfassung der Exzentrizitätsfelder
herangezogen.
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Die frequenzmäßige Trennung kann (mit Hilfe im Ständer angebrachter
Meßschleifen) nur für die Läuferrestfelder und das Grundfeld der dynamischen Exzentrizität
durchgeführt werden. Das Grundfeld infolge statischer Exzentrizität kann dagegen
nur über die Polpaarzahl von den übrigen getrennt werden. Dazu ist es erforderlich,
daß die Meßschleife so im Luftspalt angebracht wird, daß ihr Wickelfaktor für die
Exzentrizitätsoberwellen ein Maximum, für alle übrigen Null, möglichst aber ein
Minimum wird.
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Der größte Störeinfluß kommt von der Grundwelle
mit
der Maschinenpolpaarzahl p. Damit die von dieser in der Meßschleife induzierte Spannung
Null wird, muß die Spulenweite W der Meßschleife gleich der doppelten Polteilung
22, oder ganzer Vielfacher dieser sein. Für das Exzentrizitätsgrundfeld beträgt
die Polteilung 2aR (P ) Um für diese den Wickelfaktor 5, gleich 1 oder doch möglichst
nahe 1 zu bekommen, müßte die Spulenweite W der Meßschleife gleich oder doch möglichst
nach dieser Polteilung z, bzw. ganzer Vielfacher ausgeführt werden. Für eine vierpolige
Maschine ist z. B. die Schleife mit einer Spulenweite von 2 typ auszuführen, damit
der Wickelfaktor für die Grundwelle Null ist. Damit wird er aber gleichzeitig für
das Exzentrizitätsgrundfeld mit der Polteilung r8 =2erz zu 1 (s. Fig. 2).
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Durch eine einfache Anzeige mittels Volt- oder Amperemeter der in
einer Meßschleife induzierten Spannung Faßt sich eine stetige Anzeige von Luftspaltänderungen
ermöglichen, ohne daß auf die Art oder räumliche Lage derselben geschlossen werden
kann. Es ist selbstverständlich möglich, daß bei bestimmten, wählbaren Maximalwerten
Alarmvorrichtungen ausgelöst werden oder die Maschine abgeschaltet wird. Darüber
hinaus läßt sich aber noch durch Frequenzanalysen und Phasenvergleiche, eventuell
über mehrere im Luftspalt angeordnete Spulen, auch auf die Art der Verformung und
ihre räumliche Lage in der Bohrung schließen. Bei einer exzentrischen Verlagerung
des Läufers unterscheidet man zwischen einer dynamischen (DrehpunktI in F i g. 3)
und einer statischen (Drehpunkt II in F i g. 3) Exzentrizität. Während das Exzentrizitätsgrundfeld
der
statischen Verlagerung eine Spannung mit Netzfrequenz induziert, wird bei einer
dynamischen eine Spannung von Netzfrequenz plus und minus der Drehzahlfrequenz induziert.
Durch die Frequenzkontrolle der angezeigten Spannung läßt sich also sofort eine
Aussage machen, ob es sich bei der eingetretenen Verlagerung um eine statische oder
dynamische Exzentrizität handelt.