DE1513886B2

DE1513886B2 - SYNCHRONOUS MACHINE WITH REDUCED ANCHOR RETURN

Info

Publication number: DE1513886B2
Application number: DE19651513886
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Instytut Elektrotechniki, Warschau
Priority date: 1964-08-21
Filing date: 1965-08-12
Publication date: 1971-10-14
Also published as: CH435430A; CS158184B2; GB1060812A; DE1513886A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchron-Maschine mit verminderter Ankerrückwirkung und einem Anlauf-Dämpferkäfig und Walzenläufer, dessen Umfang ungleichmäßig verteilte, mit der Erregerwicklung versehene Läufernuten aufweist, bei der die Kurve der im Luftspalt erzeugten magnetischen Durchflutung trapezähnlich ist.The invention relates to a synchronous machine with reduced armature feedback and a start-up damper cage and roller rotor, the circumference of which was unevenly distributed, with the excitation winding provided rotor grooves, in which the curve of the magnetic generated in the air gap Flooding is trapezoidal.

Eine derartige Synchron-Maschine ist bereits bekannt (deutsche Patentschrift 759 306). Das Seitenverhältnis der trapezähnlichen Feldkurve beträgt etwa 0,2 bis 0,3. Jn der Regel ist die Feldkurve im Luftspalt von Synchron-Maschinen mit ausgeprägten Polen- und Walzenläufern im wesentlichen sinusförmig. Dadurch bleiben Luftspaltinduktionen begrenzt und können manche Partien des magnetischen Kreises, z. B. Ankerzähne und bei Walzenläufern Zähne des Feldmagneten, nicht sehr gut ausgenutzt werden. Bei Schenkelpolmaschinen treten folgende Nachteile, wie hohe Produktionskosten, schwierige Kühlung der zusammengesetzten Spulen der Erregerwicklung, verzerrte Spannungskurve bei Wirk-Blind-Belastung und Neigung zur Beschädigung der Erregerwicklungsisolation infolge der Spulenschwingung bei den auftretenden Radial- oder Tangentialkräften, auf. Bei Synchron-Maschinen mit Walzenläufer und einer sinusförmigen Durchflutungskurve sind die geringe Überlastbarkeit durch das Drehmoment sowie der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad, der im wesentlichen durch die Verlustzunahme in der Erregerwicklung bedingt ist, von besonderem Nachteil.Such a synchronous machine is already known (German patent specification 759 306). The aspect ratio the trapezoid-like field curve is about 0.2 to 0.3. As a rule, the field curve is im Air gap of synchronous machines with pronounced pole and cylinder rotors, essentially sinusoidal. As a result, air gap inductions remain limited and some parts of the magnetic Circle, e.g. B. armature teeth and with roller rotors teeth of the field magnet, not very well used will. In salient pole machines, the following disadvantages, such as high production costs, are difficult Cooling of the assembled coils of the field winding, distorted voltage curve with active-reactive load and tendency to damage the field winding insulation as a result of coil oscillation with the occurring radial or tangential forces. For synchronous machines with roller rotors and a sinusoidal flow curve are the low overload capacity due to the torque as well as the relatively low efficiency, which is essentially due to the increase in loss in the excitation winding is a particular disadvantage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Synchron-Maschine dahingehend zu verbessern, daß sie neben einem hohen Wirkungsgrad ausreichend durch das Drehmoment überlastbar ist und die Herstellungskosten im Vergleich zu üblichen Synchron-Maschinen mit ausgeprägten Polen gering sind.The invention is based on the object of improving such a synchronous machine in such a way that that in addition to a high degree of efficiency, it can be sufficiently overloaded by the torque and the manufacturing costs are low compared to conventional synchronous machines with pronounced poles are.

Die Erfindung besteht darin, daß die Erregerwicklung in den Läufernuten derart verteilt ist, daß die parallelen Trapezseiten der trapezähnlichen Durchflutungskurve ein Längenverhältnis von etwa 0,4 bis 0,6 aufweisen.The invention consists in that the field winding is distributed in the rotor slots in such a way that the parallel trapezoid sides of the trapezoid-like flow curve have a length ratio of about 0.4 to 0.6.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bereits ein Unterschied von 0,07 im Seitenverhältnis der Trapezseiten zu einer 6°/oigen Vergrößerung der Amplitude der Grundwelle der Luftspaltinduktion führt, wenn der Einfluß der ungleichmäßigen Nutenteilung berücksichtigt wird. Im selben Verhältnis läßt sich die Windungszahl der Ankerwicklung vermindern, wodurch sich Innen- und Außendurchmesser des Ständers herabsetzen lassen, da mit der Verminderung der Windungszahl die Abmessungen der Ankernuten kleiner werden. Auch der Luftspalt ist entsprechend verkleinerbar, um den gleichen Wert der synchronen Längs- und Querreaktanz zu erhalten. Dadurch wird eine etwa 10% größere Grundwellenamplitude der Luftspaltinduktion als Endergebnis erzielt. Unter der Voraussetzung eines gleichen Strombelags ist dann auch das Produkt aus Strombelag und der genannten Amplitude um etwa 10⁰Ai größer. Die Kupfermasse der Anker- und Erregerwicklung nimmt dann noch stärker ab, so daß infolge der beträchtlichen Verminderung der Kupfermasse die Streureaktanzen in beiden Wicklungen in einem Verhältnis abnehmen, das größer als 1,1 ist. Dadurch wird ein sehr günstiger Einfluß auf den Wert der Reaktanz ausgeübt, was von erstrangiger Bedeutung bei dynamischen Belastungs- ·.· zuständen der Synchron-Maschine ist.Surprisingly, it has been shown that a difference of 0.07 in the aspect ratio of the trapezoidal sides leads to a 6% increase in the amplitude of the fundamental wave of the air gap induction, if the influence of the uneven pitch is taken into account. The number of turns of the armature winding can be reduced in the same ratio, as a result of which the inner and outer diameter of the stator can be reduced, since the dimensions of the armature slots become smaller with the reduction in the number of turns. The air gap can also be reduced accordingly in order to obtain the same value for the synchronous longitudinal and transverse reactance. As a result, an approximately 10% larger fundamental wave amplitude of the air gap induction is achieved as the end result. Assuming that the current load is the same, the product of the current load and the amplitude mentioned is then also about 10 ⁰ Ai greater. The copper mass of the armature and exciter windings then decreases even more, so that as a result of the considerable reduction in the copper mass, the leakage reactances in both windings decrease in a ratio that is greater than 1.1. This has a very favorable influence on the value of the reactance, which is of primary importance in dynamic load conditions of the synchronous machine.

Den Induktionsverlauf im Luftspalt erreicht man durch entsprechende Nutenanordnung der Erregerwicklung auf dem gesamten Läuferumfang, obwohl die Luftspaltbreite bzw. -länge zwischen den Blechpaketen des Läufers und Ständers auf dem gesamten Umfang konstant bleibt. Bei richtiger Wahl der Luftspalt-Feldkurve ergibt sich ein Verhältnis der erstenThe induction curve in the air gap is achieved by arranging the excitation winding slots accordingly on the entire circumference of the rotor, although the air gap width or length between the laminated cores of the rotor and stand remains constant over the entire circumference. With the correct choice of the air gap field curve there is a ratio of the first

ίο Harmonischen des Flusses zum gesamten Magnetfluß der Polteilung zwischen den Grenzwerten 0,95 bis 0.98. Die Ankerwicklung hat dank dem verkürzten Schritt und eventuell einer Bruchzahl von Nuten pro Pol und Phase sowie infolge der Schrägstellung von Erregerwicklungsnuten in bezug auf die Luftspalt-Induktionskurve in erheblichem Maße höhere Harmonische und stark akzentuierte Diskriminationseigenschaften, so daß die Klemmenspannungskurve der Synchron-Maschine praktisch sinusförmig bleibt.ίο Harmonics of the flux to the total magnetic flux the pole pitch between the limit values 0.95 to 0.98. The armature winding has been shortened thanks to the Step and possibly a fraction of slots per pole and phase as well as due to the inclination of Excitation winding grooves with respect to the air gap induction curve in significantly higher harmonics and strongly accentuated discrimination properties, so that the terminal voltage curve the synchronous machine remains practically sinusoidal.

Die Amplitude der ersten Harmonischen der Luftspaitinduktion, die durch Selektivwirkung der Ankerwicklung geringfügig reduziert wird, wird dagegen auf die in dieser Wicklung erregte EMK herauftransformiert. Falls das Trapezseitenverhältnis etwa 0,5 beträgt, ergibt sich in den Ständer- und Läuferzähnen eine Spanne der Induktionsänderungen von etwa 0,85 des Wertes, der sich aus der Amplitude der ersten Harmonischen der Luftspaltinduktion herleitet. Um den Raum in der Umgebung der neutralen Achse der Pole besser auszunutzen und mit Rücksicht darauf, daß in diesem Teil des Läuferumfangs die Luftspaltinduktion niedrig ist, werden zweckmäßigerweise schmale Läuferzähne verwendet. Je mehr diese Zähne von der neutralen Achse jedes Pols entfernt sind, desto größer wird deren Breite. Da sich die Abmessungen der einzelnen Nuten der Erregerwicklung nicht ändern, führt daher die Vergrößerung der Zahnbreite zu einer ungleichmäßigen Nutenteilung dieser Wicklung. Die Erregerwicklungsnuten nehmen durchschnittlich etwa die Hälfte der Polteilung in Anspruch und sind in der Umgebung der neutralen Achse der Pole gruppiert. Auf den übrigen freien Partien der Polteilung können also Nuten des Anlauf-Dämpferkäfigs angebracht werden. Im Endeffekt der so konstruierten Erregerwicklung ist dann auf dem etwa der Hälfte der Polteilung entsprechenden Umfang so viel Kupfer vorhanden wie auf dem Umfang etwa 75% der Polteilung des Walzenläufers mit gleichmäßiger Teilung. Nach der Erfindung ist es also zweckmäßig, die für die Dämpferstäbe des Anlauf-Dämpferkäfigs dienenden Läufernuten gleichmäßig in Polmitte und die für die Erregerwicklung dienenden Läufernuten derart verteilt anzuordnen, daß sich ihr Abstand in Richtung zur neutralen Zone vermindert.The amplitude of the first harmonic of the air gap induction, which is slightly reduced by the selective action of the armature winding, however stepped up to the EMF excited in this winding. If the keystone aspect ratio is about 0.5, there is a range of induction changes in the stator and rotor teeth of about 0.85 of the value derived from the amplitude of the first harmonic of the air gap induction. To make better use of the space around the neutral axis of the poles and with consideration that the air gap induction is low in this part of the rotor circumference, are expedient narrow runners used. The more these teeth are from the neutral axis each Poles are removed, the greater their width becomes. Since the dimensions of the individual grooves of the Do not change the excitation winding, therefore the enlargement of the face width leads to an uneven Slot pitch of this winding. The excitation development grooves take an average of about half of the Pole pitch and are grouped around the neutral axis of the poles. On the rest Free parts of the pole pitch can therefore be attached to grooves of the start-up damper cage. In the end the excitation winding constructed in this way is then on the corresponding approximately half of the pole pitch There is as much copper in the circumference as around 75% of the pole pitch of the roller rotor with even division. According to the invention, it is therefore useful for the damper rods of the start-up damper cage are used evenly in the center of the pole and those for the excitation winding Serving rotor grooves to be distributed so that their distance in the direction of neutral zone diminished.

Besonders zweckmäßig ist es, die in LäufernutenIt is particularly useful in the runner grooves

. befindlichen Dämpferstäbe eines Läuferpoles stirnseitig über Kurzschlußelemente kurzzuschließen, einen Kurzschlußring radial innerhalb der Stirnverbindung der Erregerwicklung anzuordnen und die Kurzschlußelemente mit dem Kurzschlußring jeweils über radial verlaufende Verbindungsglieder zu verbinden. Die radialen Verbindungen der einzelnen Segmente mit den Kurzschlußringen, die an der Innenseite der Stirnverbindungen der Erregerwicklung untergebracht sind, ermöglichen den Stromfluß in der Querachse. Die Wirksamkeit der gemeinsamen Operation der Erregerwicklung und des Käfigs in. located damper rods of a rotor pole on the end face to short-circuit via short-circuit elements, a short-circuit ring radially inside the end connection to arrange the excitation winding and the short-circuit elements with the short-circuit ring each to connect via radially extending connecting links. The radial connections of each Segments with the short-circuit rings on the inside of the end connections of the excitation winding are housed, allow the flow of current in the transverse axis. The effectiveness of the joint Operation of the excitation winding and the cage in

Richtung der Längsachse ist angenähert gleich der Wirkung des Käfigs allein in der Querachse. Diese Eigenschaft erklärt sich durch angenähert subtransistorische Reaktanzen in der Längs- und Querachse.The direction of the longitudinal axis is approximately the same as the effect of the cage alone in the transverse axis. These The property is explained by approximately sub-transistor reactances in the longitudinal and transverse axes.

Im Vergleich zu üblichen Maschinen mit Walzenläufer und sinusförmiger Durchflutungskurve im Luftspalt bei gleichen Profilabmessungen des Magnetkernes ergeben sich bei der Erfindung eine im Durchschnitt um etwa 15 % größere Nennleistung, ein größeres Kurzschlußverhältnis und daher auch größere Drehmomentüberlastbarkeit ein höherer Wirkungsgrad und kleinere subtransiente und transiente Reaktanzen. Neben der beträchtlichen Verminderung des Kupferverbrauchs gegenüber üblichen Synchron-Maschinen mit ausgeprägten Polen werden sogar die Herstellungskosten herabgesetzt. Infolge der Symmetrie von elektrischen und magnetischen Eigenschaften bei der erfindungsgemäßen Synchron-Maschine in der Längs- und Querachse ist der Verlauf des Drehmoments als Funktion des Schlupfes am asynchronen Anlauf mit der unmittelbar kurzgeschlossenen Erregerwicklung — ohne Anwendung eines Hilfsanlaßwiderstandes — praktisch durch die Wirkung des gegenlaufenden Feldes unverzerrt, d. h., daß die transiente Reaktanz eine erhebliche Reduktion erfährt. Compared to conventional machines with roller rotors and a sinusoidal flow curve in the Air gap with the same profile dimensions of the magnetic core result in the invention an im On average about 15% higher nominal power, a higher short-circuit ratio and therefore also greater torque overload capacity, a higher degree of efficiency and smaller sub-transients and transients Reactances. In addition to the considerable reduction in copper consumption compared to conventional synchronous machines with pronounced poles, the production costs are even reduced. As a result of symmetry of electrical and magnetic properties in the synchronous machine according to the invention in the longitudinal and transverse axis is the course of the torque as a function of the slip on the asynchronous Starting with the directly short-circuited field winding - without the use of an auxiliary starting resistor - practically undistorted by the effect of the opposing field, d. i.e. that the transient reactance experiences a considerable reduction.

An Hand der Zeichnung ist ein Beispiel für die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigtAn example of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 den Querschnitt durch den Läufer einer erfindungsgemäßen Synchron-Maschine und1 shows the cross section through the rotor of a synchronous machine according to the invention and

F i g. 2 die schematische Aufsicht eines Teils des Läufers dieser Maschine.F i g. Figure 2 is a schematic plan view of part of the rotor of this machine.

Der aus Dynamoblech oder einem anderen Blech paketierte Läufer 1 hat auf seinem Umfang zwei Arten von Läufernuten 2, 3. Die Läufernuten 2 der Erregerwicklung 4 sind auf dem Läuferumfang nach einer ungleichmäßigen Teilung verteilt; je mehr sich die Nuten den neutralen Achsen einzelner Pole nähern, desto kleiner wird diese Teilung. In den übrigen Teilen jeder Polteilung, die keine Läufernuten 2 enthalten, befinden sich gleichmäßig verteilte Läufernuten 3 des Anlauf-Dämpferkäfigs 5. Da in der Synchron-Maschine mit verminderter Ankerrückwirkung die Läufernuten 2 der Erregerwicklung 4 sich nur auf etwa die Hälfte der Polteilung erstrecken, ist der Rest der Teilung für die Unterbringung einer genügenden Anzahl von Anlauf-Dämpferkäfigstäben ausgenützt. In Maschinen kleinerer Leistung ist es am einfachsten, die Erregerwicklung 4 als eine einschichtige Träufelwicklung auszuführen.The rotor 1 packaged from dynamo sheet or another sheet metal has two on its circumference Types of rotor slots 2, 3. The rotor slots 2 of the excitation winding 4 are according to the rotor circumference an uneven pitch distributed; the closer the grooves to the neutral axes of individual poles approach, the smaller this division becomes. In the remaining parts of each pole pitch that have no rotor slots 2 contain evenly distributed runner grooves 3 of the start-up damper cage 5. Da In the synchronous machine with reduced armature reaction, the rotor slots 2 of the field winding 4 only extend to about half of the pole pitch, the rest of the pitch is for housing exploited a sufficient number of start-up damper cage bars. Smaller in machines Performance it is easiest to use the excitation winding 4 as a single-layer trickle winding to execute.

Die Konstruktion des Anlauf-Dämpferkäfigs 5 ist so ausgebildet, daß derselbe vor dem Einlegen von Windungen der Erregerwicklung 4 vollständig ausgeführt werden kann, d. h. auch einzelne Elemente verschweißt sind. Dämpferstäbe 6 mit runden oder einem beliebig anderen Querschnitt werden mit den Kurzschlußelementen 7 durch Hartlöten verbunden. Die Kurzschlußelemente 7 sind mit den auf der Innenseite der Erregerwicklung 4 aufgesetzten Kurzschlußringen 9 mittels radial verlaufender Verbindungsglieder 8 durch Hartlöten verbunden. Die Kurzschlußringe 9 können auf dem Wicklungsträger 10 oder ohne denselben aufgesetzt werden. Die axial verlaufenden Ventilationskanäle 11 sichern eine intensive Abführung der in der Erregerwicklung 4 entstehenden Wärme. Die Kühlung ist viel intensiver als die Kühlung des sich erwärmenden Kupfers in konzentrierten Erregerspulen von Synchron-Maschinen mit ausgeprägten Polen.The construction of the start-up damper cage 5 is designed so that the same before the insertion of Turns of the excitation winding 4 can be completely executed, d. H. also individual elements are welded. Damper rods 6 with round or any other cross-section are with the short-circuit elements 7 connected by brazing. The short-circuit elements 7 are with the on the Inside of the excitation winding 4 placed short-circuit rings 9 by means of radially extending connecting members 8 connected by brazing. The short-circuit rings 9 can be placed on the winding support 10 or put on without it. The axially extending ventilation channels 11 ensure an intensive Dissipation of the heat generated in the excitation winding 4. The cooling is much more intense than the cooling of the warming copper in concentrated excitation coils of synchronous machines with pronounced poles.

Da der Läufer 1 keine für Synchron-Maschinen mit ausgeprägten Polen charakteristische Pollücken aufweist, zeichnet sich die aus dem Anlauf-Dämpferkäfig 5 und der Erregerwicklung 4 bestehende Anordnung durch eine höhere Symmetrie der Magnetflüsse in der Quer- und Längsachse aus. Daraus folgt, daß beim Asynchronanlauf der Wert des die Erregerwicklung 4 kurzschließenden Widerstands bedeutend vermindert und die Anlaß-Parameter verbessert werden können. Die Pendeleigenschaften des Läufers 1 sind entsprechend verbessert.Since the rotor 1 does not have any pole gaps that are characteristic of synchronous machines with pronounced poles has, the arrangement consisting of the start-up damper cage 5 and the excitation winding 4 is distinguished by a higher symmetry of the magnetic fluxes in the transverse and longitudinal axis. It follows, that during asynchronous start-up the value of the resistance short-circuiting the field winding 4 is significant can be reduced and the tempering parameters can be improved. The pendulum properties of the Runner 1 are improved accordingly.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Synchron-Maschine sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb verwendbar ist.It goes without saying that the synchronous machine according to the invention both in the motor and in the Generator operation is usable.

Claims

Patent claims:

1. Synchronous machine with reduced armature feedback and a start-up damper cage and Roller rotor, the circumference of which is unevenly distributed, rotor slots provided with the excitation winding in which the curve of the magnetic flux generated in the air gap is trapezoidal is, characterized in that the excitation winding (4) is distributed in the rotor slots (2) in such a way that the parallel Trapezoidal sides of the trapezoidal flow-through curve have a length ratio of about 0.4 to about 0.6.

2. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that the for the damper rods (6) of the start-up damper cage (5) serving rotor grooves (3) evenly in the center of the pole and the rotor slots (2) serving for the excitation winding (4) are arranged distributed such that their distance towards the neutral zone is reduced.

3. Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the rotor grooves (3) located damper rods (6) of a rotor pole on the end face via short-circuit elements (7) are short-circuited that a short-circuit ring (9) radially inside the end connection of the Excitation winding (4) runs and that the short-circuit elements (7) with the short-circuit ring (9) are each connected via radially extending connecting members (8).

1 sheet of drawings