DE19832708A1 - Zweipolige elektrische Synchronmaschine mit liegendem Rotor und Verfahren zur Einstellung der Amplituden von Resonanzschwingungen doppelter Drehfrequenz an einer solchen Synchronmaschine - Google Patents

Abstract

Zweipolige elektrische Synchronmaschine mit liegendem Rotor und Verfahren zur Einstellung der Amplitude von Resonanzschwingungen doppelter Drehfrequenz an einer solchen Synchronmaschine. DOLLAR A Um bei zweipoligen elektrischen Synchronmaschinen mit liegendem Rotor die Amplitude der Resonanzschwingungen doppelter Drehfrequenz möglichst klein zu halten, wird diese in Abhängigkeit von der vertikal-exzentrischen Ausrichtung der Rotorachse (21) in der Statorbohrung eingestellt, beispielsweise durch Anheben oder Absenken der Lagerfüße (43) der Rotorlager (4) mittels horizontal verschiebbarer Keile (45, 46).

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der dynamoelektrischen Ma­ schinen und befaßt sich mit der Unterdrückung von solchen Re­ sonanzschwingungen des liegend angeordneten Rotors einer zweipoligen Synchronmaschine, deren Frequenz der doppelten Drehfrequenz des Rotors entspricht.

Bei zweipoligen Synchronmaschinen, bei denen der in Stehla­ gern gelagertem Rotor horizontal in einer Bohrung des Stators angeordnet und die Rotorachse innerhalb der Statorbohrung ausgerichtet ist (AEG-Mitt., 1956, S. 93/94), führt die Quer­ schnittsanisotropie des Rotors zusammen mit der Gewichtskraft zu Schwingungsanregungen in lateraler, insbesondere vertika­ ler Richtung, deren Frequenzen dem doppelten Wert der jewei­ ligen Drehfrequenz des Rotors entsprechen (DE-AS 12 62 686, Sp. 1). Die angeregten Schwingungen können einen oder mehrere Resonanzbereiche haben. Insbesondere bei drehzahlveränderba­ ren Maschinen liegen dabei die Resonanzfrequenzen in aller Regel im Betriebsdrehzahlbereich.

Es ist bisher üblich, doppelt-drehfrequente Resonanzschwin­ gungen des Rotors in ihrer Amplitude dadurch zu beeinflussen, daß der Rotor bei seiner Herstellung mit quer zur Rotorachse verlaufenden Schlitzen versehen wird, mit denen sich die Bie­ gesteifigkeit des Rotors in der Polebene verkleinern läßt. Diese Maßnahme erbringt aber nur einen Teilerfolg, weil sich die verschiedenen Einflußfaktoren wie Aufbau der Rotorwelle, Gestaltung und Materialeigenschaften der Polschuhe und der Polwicklungen auf die Amplitude und Frequenz der Resonanz­ schwingungen wegen der Komplexität ihrer Beziehungen zueinan­ der in ihren Auswirkungen rechnerisch nicht exakt ermitteln lassen. - Es ist weiterhin bekannt, das Schwingungsverhalten von mehrfach gelagerten Wellensträngen durch Änderung der Fe­ der- und/oder Dämpfungskonstante der zugehörigen Lager zu be­ einflussen (DE 25 12 009 A1, S. 1+2)

Ausgehend von einer zweipoligen elektrischen Synchronmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzuge­ ben, mit denen die Amplituden von Resonanzschwingungen dop­ pelter Drehfrequenz des Rotors weiter verringert werden kön­ nen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Dreh­ frequenz in Abhängigkeit von der vertikal-exzentrischen Aus­ richtung der Rotorachse in der Statorbohrung eingestellt sind. Bezüglich dieser Einstellung geht man zweckmäßig derart vor, daß - ausgehend von einer mittleren Einstellung der ver­ tikal-exzentrischen Ausrichtung des Rotors in der Statorboh­ rung - zunächst die Amplitude der doppelt-drehfrequenten Re­ sonanzschwingungen des Rotors bei verschiedenen Betriebszu­ ständen (Leerlauf, Vollast) gemessen wird, daß dann in Abhän­ gigkeit vom ungünstigsten Meßwert (größte Schwingungsamplitu­ de) die Einstellung der vertikal-exzentrischen Ausrichtung des Rotors durch eine Verschiebung der Rotorachse gegen die Statorachse verändert wird und daß nachfolgend die Schritte "Messung der Amplitude der doppelt-drehfrequenten Resonanz­ schwingungen" und "Verschiebung der Rotorachse" bis zum Er­ reichen eines Optimums wiederholt werden und abschließend die optimale Einstellung fixiert wird.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Maßnahme der vertikal- exzentrischen Ausrichtung der Rotorachse geht von der Er­ kenntnis aus, daß bei einer Synchronmaschine der vorliegenden Art außer der Querschnittsanisotropie des Rotors eine zweite Anregungsquelle für eine Radialkraft doppelter Drehfrequenz vorliegt, die sich aus dem Zusammenwirken einer harmonischen Komponente des von der Läuferwicklung erzeugten Polradfeldes mit einem der beiden Exzentrizitätsgrundfelder, d. h. der sich aufgrund einer exzentrischen Anordnung des Rotors in der Sta­ torbohrung ergebenden zusätzlichen harmonischen Komponenten des magnetischen Luftspaltfeldes, ergibt. Diese auf den Rotor mit doppelter Drehfrequenz einwirkende Wechselkraft wirkt da­ bei in Gegenrichtung zur engsten Stelle des Luftspaltes zwi­ schen Rotor und Stator und erreicht ihr Maximum immer dann, wenn die Extrema des magnetischen Feldes die engste Stelle passieren. Die Amplitude dieser Wechselkraft ist dabei pro­ portional zur Luftspaltexzentrizität. - Wesentlich für die gemäß der Erfindung vorgesehene Maßnahme ist nun weiterhin, daß sich bei üblicher Positionierung der Rotorachse in der Statorbohrung die engste Stelle des Luftspaltes in der Verti­ kalebene unterhalb des Rotors (speziell im Leerlauf) ein­ stellt und demzufolge die magnetische Anregung die gleiche Phasenlage wie die Gewichtskraftanregung hat und sich somit beide Anregungen addieren. Positioniert man den Rotor jedoch so, daß sich die engste Stelle des Luftspaltes in der Verti­ kalebene oberhalb des Rotors einstellt, dann wirken die bei­ den Anregungen gegeneinander und kompensieren sich somit zu­ mindest teilweise. Demzufolge können die Amplituden der Reso­ nanzschwingungen doppelter Drehfrequenz durch eine vertikale Parallelverschiebung der Rotorachse eingestellt werden und bei einer im Betrieb befindlichen Maschine eingestellt sein. - Bei in Längsrichtung anisotrop aufgebautem Rotor können die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Drehfrequenz gegebenenfalls zusätzlich dadurch beeinflußt werden, daß man auch eine Neigung der Rotorachse vornimmt.

Da die Größe der doppelt-drehfrequenten Magnetkräfte außer von der Luftspaltexzentrizität auch von der Größe der Erre­ gung der Maschine abhängig ist, können die Amplituden der Re­ sonanzschwingungen doppelt-drehfrequent zusätzlich auch durch eine Veränderung der Erregung des Rotors eingestellt werden. Diese Maßnahme dient aber nur einer Feineinstellung der Amplituden der Resonanzschwingungen im Sinne einer Minimie­ rung.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Einstellung der vertikal exzentrischen Ausrichtung der Rotorachse in der Statorbohrung kann mit Hilfe unterschiedlicher konstruktiver Mittel durch­ geführt werden. Generell erfordert diese Maßnahme eine Ver­ schiebung der Rotorlager relativ zum Stator. Sind Rotorlager und Stator unabhängig voneinander auf einem Grundrahmen bzw. auf separaten Fundamentsohlplatten befestigt, kann dies ent­ weder durch vertikale Verschiebung der Rotor-Lager oder aber auch des Stators erfolgen. Beispielsweise kann die Verschie­ bung der Rotorachse durch Anheben oder Absenken der Lagerfüße der Rotorlager mittels horizontal verschiebbarer Keile vorge­ nommen werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwen­ dung von jeweils zwei drehverstellbaren Exzenterscheiben für jedes Rotorlager, von denen die äußere im Lagerschild bzw. am Grundrahmen angeordnet ist und die innere das zugehörige La­ gergehäuse aufnimmt. Ein derartiges Verschiebemittel ermög­ licht auch eine horizontale Verlagerung der Rotorachse.

Ein anderes konstruktives Mittel besteht darin, die Befesti­ gung der Lagerfüße der Rotorlager auf einem Grundrahmen oder einer Sohlplatte so vorzunehmen, daß die Lagerfüße mittels Abdrückschrauben anhebbar sind, wobei durch Einbringen von Unterlegblechen zwischen die Lagerfüße und die Sohlplatte das endgültige Maß der Anhebung festgelegt wird und die Abdrück­ schrauben anschließend gelöst werden. In gleicher Weise kann ein Absenken oder Anheben des Stators vorgenommen werden. Da­ bei können zur Fixierung der Lagerfüße bzw. der Statorfüße auf der Sohlplatte bzw. dem Grundrahmen Befestigungsschrauben verwendet werden, die als hochelastische Dehnschrauben ausge­ bildet oder unterhalb des Schraubenkopfes mit einem Federele­ ment ausgerüstet sind.

Die vorerwähnten Maßnahmen gelten sowohl für Wälz- als auch für Gleitlager als auch für Magnetlager. Bei Synchronmaschi­ nen mit Magnetlagern besteht aber auch die Möglichkeit, die Verschiebung der Rotorachse durch eine Beeinflussung des ma­ gnetischen Kraftfeldes der Magnetlager vorzunehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Dabei zeigen

Fig. 1 eine zweipolige Synchronmaschine mit hori­ zontalem Rotor in schematischer Darstel­ lung,

Fig. 2 und 3 ein Rotorlager, welches mittels keilförmi­ ger Elemente vertikal verstellbar ist,

Fig. 4 bis 7 zwei Ausführungsbeispiele für die Ausge­ staltung keilförmiger Elemente,

Fig. 8 ein Rotorlager, das mit Hilfe von Abdrück­ schrauben anhebbar ist und

Fig. 9 ein mittels Exzenterscheiben einstellbares Rotorlager in prinzipieller Darstellung.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den grundsätzli­ chen Aufbau einer zweipoligen elektrischen Synchronmaschine, die aus einem Stator 1, der auf einem Grundrahmen 3 angeord­ net ist, und einem Rotor 2 besteht, wobei der Rotor 2 mit seiner Achse 21 horizontal angeordnet ist und eine Bohrung 6 des Stators 1 durchgreift. Die Welle 8 des Rotors ist mit ih­ ren Enden in den beiden Stehlagern 4 und 5 gelagert. Die Stehlager sind ebenfalls auf dem Grundrahmen 3 angeordnet. - Der Rotor 2 ist so in der Bohrung 6 des Stators 1 angeordnet, das zwischen Rotor und Stator ein Luftspalt 7 vorhanden ist.

Um bei einer derartigen Synchronmaschine die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Drehfrequenz auf einen mög­ lichst kleinen Wert einzustellen, werden zunächst bei der rechnerischen Festlegung der elektrischen und mechanischen Konstruktionsdaten aus den die Anisotropie des Rotors bestim­ menden Größen wie insbesondere Querschnittsabmessungen sowie Steifigkeitseffekte von Wicklungen und Nutverschlußkeilen ei­ nerseits und aus der statischen Luftspaltexzentrizität und der Erregung der Maschine andererseits die Auswirkungen auf die Ausbildung von lateralen doppelt-drehfrequenten Rotor­ schwingungen errechnet und eine theoretische Ausrichtung des Rotors in der Statorbohrung zum Zwecke der Kompensation der beiden Anregungsquellen ermittelt. Diese theoretische Aus­ richtung, die im wesentlichen eine vertikal-exzentrische An­ ordnung des Rotors in der Statorbohrung beinhaltet, wird beim Einsetzen des Rotors in den Stator durch eine entsprechende Zuordnung der Lagerachse der beiden Rotorlager zur Achse der Statorbohrung realisiert. Während eines Versuchsbetriebes der Synchronmaschine bei verschiedenen Betriebszuständen werden dann z. B. mittels einer entsprechenden Schiebelehre die Luftspaltabmessungen sowie mittels der Rotorwelle berührungs­ los zugeordneter, handelsüblicher Schwingungsaufnehmer auf z. B. induktiver Basis die doppelt-drehfrequenten Schwingungen des Rotors erfaßt und danach in einem oder mehreren Schritten eine Veränderung der Einstellung der Luftspaltexzentrizität im Sinne einer Optimierung vorgenommen. Hierzu ist es erfor­ derlich, die Rotorachse vertikal parallel zu verschieben und gegebenenfalls zusätzlich zu neigen. Dies kann entweder durch ein Anheben oder Absenken der Lagerfüße der Rotorlager oder auch durch ein Absenken oder Anheben des Stators gegenüber dem Rotor erfolgen. Ein erstes Ausführungsbeispiel hierfür zeigen die Fig. 2 und 3.

Gemäß Fig. 2 ist das Stehlager 4, das im wesentlichen aus dem Lagerbock 41, der Lagerschale 42 und dem Lagerfuß 43 be­ steht, mittels einer Stützkonstruktion 44 auf der Sohlplatte 3 angeordnet. Die Stützkonstruktion 44 besteht aus zwei Ver­ stellkeilen 45 und 46, die mittels einer als Achse darge­ stellten Spannschraube 47 gegeneinander verschiebbar sind. - Der Lagerfuß 43 ist an seiner Unterseite ebenfalls keilförmig gestaltet, so daß die Keilflächen des Lagerfußes 43 und der Verstellkeile 45 und 47 aufeinanderliegen. - Durch ein Ver­ spannen der beiden Verstellkeile 45 und 47 kann das Lager 4 angehoben werden.

Gemäß Fig. 3 sind den beiden Verstellkeilen 45 und 46 zwei weitere Verstellkeile 48 und 49 zugeordnet, die mittels einer Spannschraube 50 quer zur Spannrichtung der Spannschraube 47 verstellbar sind. Diese Verstellkeile arbeiten mit entspre­ chenden Keilflächen an den inneren Enden der beiden Verstell­ keile 45 und 46 zusammen, so daß mit Hilfe der Verstellkeile 48 und 49 die beiden Verstellkeile 45 und 46 auseinanderge­ drückt werden können, was ein Absenken des Stehlagers 4 zur Folge hat.

Den Verstellkeilen 45 und 46 sind noch seitliche Führungen 52 sowie Fixierelemente 51 zugeordnet. Der Lagerfuß 43 wird im endgültig eingestellten Zustand mit Befestigungsschrauben 53 fixiert, die durch Langlöcher sowohl im Lagerfuß als auch in den Verstellkeilen 45 und 46 hindurchgreifen.

Die Stützkonstruktion 44 kann im Prinzip auch so aufgebaut sein, daß die Verstellkeile 45 und 46 mit der Spannschraube 47 nicht quer sondern in Längsrichtung zur Achse des Rotors angeordnet sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in schematischer Darstellung, daß die Verstellkeile 45 und 46 eine ebene Keilfläche 54 aufwei­ sen. Gemäß den Fig. 6 und 7 können die Verstellkeile 55 und 56 aber auch eine keilförmige Keilfläche 58 aufweisen.

Gemäß Fig. 8 erfolgt die vertikale Parallelverschiebung der Rotorachse mittels Anheben oder Absenken der zugehörigen Stehlager mit Hilfe von Schrauben 60 und 61, die den Lagerfuß 59 durchdringen. Bei den Schrauben 60 handelt es sich um Ab­ drückschrauben, mit denen der Lagerfuß angehoben werden kann, während die Halteschrauben 61 als Dehnschrauben ausgebildet sind (ähnlich DE 12 37 387 C). Bei angehobenem Lagerfuß kön­ nen zwischen diesen und der Sohlplatte 3 Unterlegbleche 62 angeordnet werden.

Fig. 8 zeigt im rechten Teil der Darstellung eine Halte­ schraube 63, die unterhalb des Schraubenkopfes mit einem Fe­ derelement in Form von Tellerfedern 64 ausgerüstet ist.

Gemäß Fig. 9 kann die Verschiebung der Rotorachse auch mit­ tels zweier drehverstellbarer Exzenterscheiben 65 und 66 vor­ genommen werden, von denen die äußere Exzenterscheibe 66 im Lagerschild 67 bzw. am Grundrahmen angeordnet ist und die in­ nere Exzenterscheibe 65 die Lagerschale 68 aufnimmt. Durch entsprechende Drehungen der Exzenterscheiben 65 und 66 kann die Lagerschale 68 nicht nur angehoben oder abgesenkt sondern auch seitlich verschoben werden.

Claims (11)

1. Zweipolige elektrische Synchronmaschine mit einem Stator und mit einem horizontal in einer Bohrung des Stators ange­ ordnetem Rotor, bei der der Rotor in zwei Stehlagern gelagert und die Rotorachse innerhalb der Statorbohrung ausgerichtet ist und bei der die Amplituden derjenigen Resonanzschwingun­ gen, deren Frequenz der doppelten Drehfrequenz des Rotors entspricht, einen möglichst kleinen Wert aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Dreh­ frequenz in Abhängigkeit von der vertikal-exzentrischen Aus­ richtung der Rotorachse (2, 21) in der Statorbohrung (6) ein­ gestellt sind.

2. Zweipolige elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Dreh­ frequenz durch eine vertikale Parallelverschiebung der Ro­ torachse (21) eingestellt sind.

3. Zweipolige elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Dreh­ frequenz zusätzlich durch eine Neigung der Rotorachse (21) eingestellt sind.

4. Verfahren zur Einstellung der Amplituden der Resonanz­ schwingungen doppelter Drehfrequenz bei einer zweipoligen elektrischen Synchronmaschine nach einen der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß - ausgehend von einer mittleren Einstellung der vertikal­ exzentrischen Ausrichtung des Rotors in der Statorbohrung - zu­ nächst die Amplituden der doppelt-drehfrequenten Resonanz­ schwingungen des Rotors bei verschiedenen Betriebszuständen (Leerlauf, Vollast) gemessen werden,
daß dann in Abhängigkeit vom jeweils ungünstigsten Meßwert (größte Schwingungsamplitude) die Einstellung der vertikal-exzen­ trischen Ausrichtung des Rotors durch eine Verschiebung der Rotorachse (21) gegen die Statorachse verändert wird und daß nachfolgend die Schritte "Messung der Amplituden der doppelt-drehfrequenten Resonanzschwingungen" und
"Verschiebung der Rotorachse" bis zum Erreichen eines Opti­ mums wiederholt werden und abschließend die optimale Einstel­ lung fixiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Resonanzschwingungen doppelter Dreh­ frequenz zusätzlich durch eine Veränderung der Erregung des Rotors eingestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Rotorachse durch Anheben oder Absen­ ken der Lagerfüße (43) der Rotorlager mittels horizontal ver­ schiebbarer Keile (45, 46; 48,49) vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Rotorachse mittels zweier drehver­ stellbarer Exzenterscheiben (65, 66) vorgenommen wird, von de­ nen die äußere (66) im Lagerschild (67) bzw. am Grundrahmen des jeweiligen Rotorlagers angeordnet ist und die innere (65) das zugehörige Lagergehäuse (68) aufnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Rotorachse durch Anheben der Lager­ füße der Rotorlager mittels Abdrückschrauben (60) und durch Einbringen von Unterlegblechen (62) zwischen die Lagerfüße (59) und den Grundrahmen (3) vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Rotorachse durch Absenken oder Anhe­ ben des Stators gegenüber einem Grundrahmen oder einer Sta­ torsohlplatte mittels in den Statorfüßen angeordneter Ab­ drückschrauben und durch Entfernen oder Einbringen von Unter­ legscheiben zwischen den Statorfüßen und den Grundrahmen bzw. der Sohlplatte vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Lagerfüße bzw. der Statorfüße auf der Sohlplatte bzw. dem Grundrahmen Befestigungsschrauben verwen­ det werden, die als hochelastische Dehnschrauben (61) ausge­ bildet oder die unterhalb des Schraubenkopfes mit einem Fede­ relement (64) ausgerüstet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Synchronmaschine mit Magnetlagern die Verschie­ bung der Rotorachse durch eine Beeinflussung des magnetischen Kraftfeldes der Magnetlager vorgenommen wird.