DE2240429A1 - Dynamoelektrische maschine - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 16. Aug. 1972

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Dynamoelektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Synchronmaschinen mit, ausgeprägten Polen wie etwa Wasserkraftgeneratoren oder große Synchronmotoren .

Die Läufer solcher Maschinen sind stets mit einer Dämpferwicklung versehen, die in Nuten in den Polschuhen eingesetzte Stäbe sowie kurzschließende Endringe aufweist, die die Stäbe miteinander verbinden und so einen Kurzschlußkäfig bilden. Die Dämpferstäbe sind häufig aus Stahl oder einem anderen Magnetwerkstoff hergestellt, wodurch das Anlaufdrehmoment der als Synchronmotor arbeitenden Maschine erheblich gesteigert, außerdem den Polen zusätzliches Magnetmaterial hinzugefügt und damit das Laufverhalten als Motor oder Generator verbessert wird. Die Stäbe erstrecken sich in Axialrichtung der Maschine über die gesamte Länge der Pole und über diese Pole hinaus, wo sie mit ihren freien Enden in die kurzschließenden Endringe münden. Dieser überstehende Bereich des Kursschlußkäfigs liegt dann unterhalb der Spulenköpfe der Ständerwicklung. Die

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Anwesenheit magnetischen Materials im Endbereich der Maschine hat zur Folge, daß der in diesem Gebiet auftretende, mit der Ständerwicklung verkettete Magnetfluß verstärkt wird. Daher werden in der Ständerwicklung häufig relativ hohe Verluste und eine unerwünschte Erwärmung verursacht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen, die mit einer Dämpferwicklung ausgestattet sind, so weiterzubilden, daß die durch die Dämpferwicklung bedingten Vorteile erhalten bleiben, jedoch die unerwünschten hohen Verluste sowie die störende Erwärmung nicht in Kauf genommen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine dynamoelektrische Maschine mit einem Ständer, der in Nuten eines magnetischen Ständerpakets eine Ständerwicklung aufnimmt, die mit Spulenköpfen über das Ständerpaket hinausragt, sowie einem Läufer mit einer Mehrzahl ausgeprägter Pole, die mit einer Dämpferwicklung ausgestattet sind, die sich mit Dämpferstäben axial durch die Pole erstreckt und unterhalb der Spulenköpfe axial mit Endabschnitten über diese hinausragt, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der von den Polen aufgenommene Mittelabschnitt der Dämpferstäbe aus magnetischem Material und die über die Pole hinausragenden Endbereiche der Dämpferwicklung aus nichtmagnetischem Material bestehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Pig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch die Ständer-/Laufer-

anordnung einer dynamoelektrischen Maschine nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Endbereich eines Polschuhs sowie der zugehörigen Dämpferwicklung; und

Fig. 3 u. 4 zwei die Vortexlhaftigkeit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichende Diagramme.

in Verbindung Wie erwähnt, kommt der Erfindung insbesondere/mit relativ großen, ausgeprägte Pole aufweisenden Synchronmaschinen Bedeutung zu. Die Erfindung ist daher in der Zeichnung auch in ihrer Zuordnung zu einer solchen Maschine veranschaulicht, wobei Ständer und Läufer dieser Maschine in Fig. 1 etwas vereinfacht angedeutet sind. Der Ständer weist ein in üblicher Weise geblättertes Ständerpaket 10

die

sowie eine geeignete Ständerwicklung 11 auf ,/in Nuten des Ständerpakets 10 liegt und an beiden Enden der Maschine mit Spulenköpfen 12 über das Ständerpaket hinausragt.

Ein Läufer 13 hat ausgeprägte Pole, die mittels eines Lagerkörpers 14 auf einer Welle (nicht dargestellt) sitzen. Die Pole können auch unmittelbar auf der Welle gelagert sein. Jeder Pol kann ein in üblicher Weise geblättertes Polstück 15 aufweisen, das an seinem radial äußeren Ende in einen Polkopf 16 ausläuft, der durch eine Polfläche 17 abgeschlossen ist, die mit dem Ständerpaket IO einen Luftspalt begrenzt. Endplatten 18 können

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das geblätterte Polstück 15 von seinen beiden Stirnseiten her abkleiden. Eine Feldspule 19 umgibt das Polstück 15 und bildet gemeinsam mit weiteren gleichartigen Spulen der anderen Pole bzw. Polschuhe die Feldwicklung der Maschine, die das Haupt-Hagnetfeld aufbaut. Das Polstück 15 ist außerdem mit einer Dämpferwicklung versehen, die eine Mehrzahl elektrisch leitender Dämpferstäbe 20 aufweist, die in Nuten des Polstücks 15 in Nähe der Polfläche 17 untergebracht sind. Wie mit der Zeichnung dargestellt, sind die Nuten geschlossen ausgebildet. Die Dämpferstäbe 20 ragen in axialer Richtung an beiden Enden des Polschuhs über diesen hinaus, um dann in kurzschließende, zu dem Läufer konzentrische Endringe 21 auszumünden, die alle Dämpferstäbe miteinander verbinden und gemeinsam mit diesen einen Kurzschlußkäfig bilden.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich,erstrecken sich die freiliegenden Endbereiche der Dämpferwicklung an beiden Enden des Läufers unterhalb der Spulenköpfe 12 der Ständerwicklung. Dieser Bereich der Maschine liegt außerhalb des die Polstücke 15 und das Ständerpaket 10 durchsetzenden Haupt-Magnetfeldes, jedoch ist in diesem Bereich ein erheblicher Anteil an Streufluß wirksam. Das tatsächliche Flußbild im Endbereich entspricht einem komplizierten dreidimensionalen Magnetfeld, wie es durch das Anker- und Feldstromsystem hervorgerufen wird, die auf den Endbereich einwirken. Ohne daß der genaue Verlauf des Flußbildes festgelegt wird, ergibt sich, daß im Endbereich ein verhältnismäßig großer Anteil des Magnetflusses mit einer beträchtlichen Radialkomponente auftritt, die mit den Spulenköpfen 12 verkettet ist. Bei der üblichen Konstruk-

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tion dieser Maschinen mit magnetischen Dämpferwicklungen hat das im Endbereich anwesende Magnetmaterial der Dämpferwicklung die Wirkung, daß der Magnetfluß im Endbereich eine beachtliche Verstärkung erfährt und sehr hohe radiale Flußdichten erzeugt, vor allem in dem Gebiet nahe dem Ständerpaket. Diese hohen Flußdichten führen zu entsprechend hohen Wirbelstromverlusten in den Kupferleitern der Ständerwicklung, die naturgemäß unerwünscht sind und eine unzulässig hohe Erwärmung hervorrufen, insbesondere in den Teilen der Wicklung, die sich nahe dem Ende des Ständerpakets befinden .

Erfindungsgemäß werden diese unerwünschten Verluste dadurctfbeseitigt, daß in den Endbereichen der Maschine kein magnetischer Werkstoff mehr verwendet wird, gleichzeitig aber die erwünschten magnetischen Dämpferstäbe in den aktiven Bereichen der den Luftspalt begrenzenden Polflächen belassen werden. Wie insbesondere mit Fig. 2 veranschaulicht, weist jeder der Dämpferstäbe 20 einen Mittelabschnitt 22 auf, der in den Polflächen-Nuten liegt und sich zwischen den beiden gegenüberliegenden Enden der Polfläche erstreckt. Außerdem hat jeder Dämpferstab zwei Endabschnitte 23, die sich an die gegenüberliegenden Enden des Mittelabschnitts 22 anschließen. Die Mittelabschnitte 22 der einzelnen Dämpferstäbe sind mit den angrenzenden Enden der Endabschnitte 23 in geeigneter Weise so verbunden, daß eine zuverlässige Verbindung hoher mechanischer Festigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit gewährleistet ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, können die beiden Enden des Mittelab-

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Schnitts 22 und entsprechend auch die angrenzenden Enden der Endabschnitte 23 abgeschrägt sein, so daß die Endabschnitte 23 sich durch eine Schweißnaht 24 mit den Mittelabschnitten 22 vereinigen lassen, so daß sich eine starke Verbindung ergibt, die den aus einem Mittelabschnitt 22 und angrenzenden Endabschnitten 23 zusammengesetzten Dämpferstab einem durchgehenden, zusammenhängenden Dämpferstab 20 gleichwertig macht. Erfindungsgemäß ist der Mittelabschnitt 22 eines Dämpferstabes 20 aus magnetischem Werkstoff wie gewöhnlichem Stahl hergestellt, um die bekannten Vorteile der Dämpferstäbe zu erhalten. Dagegen bestehen die Endabschnitte 23 aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, der sich bequem mit dem Stahlmaterial des Mittelabschnitts 22 verschweißen läßt. Die Endringe 21 bestehen ebenfalls aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise nichtrostendem Stahl, und sind mit den äußeren Enden der Endabschnitte 23 durch Schweißung oder in anderer geeigneter Weise fest verbunden. Vorzugsweise bestehen auch die Endplatten 18 an den beiden Enden des Polstückes 15 aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen nichtmagnetischen Werkstoff.

Wie ersichtlich, ist durch diesen Aufbau alles magnetische Material aus den Endbereichen der Maschine entfernt worden. Dennoch steht eine vollständige Dämpferwicklung zur Verfügung, deren Stäbe im aktiven PoIflächenbereich der Maschine aus magnetischem Material bestehen, so daß die Vorzüge magnetischer Dämpferstäbe beibehalten werden. Die Eliminierung magnetischen Materials aus den Endbereichen führt jedoch zu einer sehr großen Verbesserung hinsichtlich der Verluste und einer Erwärmung in den Spulenköpfen. Dies ist mit

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Fig. 3 und 4 veranschaulicht, die Kurven zeigen, die anhand praktischer Untersuchungen an einer großen Maschine mit ausgeprägten Polen gewonnen wurden, wobei die Maschine entweder als von einer Wasserturbine angetriebener Generator oder als die Turbine als Pumpe antreibender Synchronmotor arbeitete. In beiden Figuren gibt die Kurve A die Verhältnisse für eine herkömmliche, vollständig aus magnetischem Werkstoff hergestellte Dämpferwicklung und die Kurve B die Verhältnisse für den Fall wieder, daß eine solche Dämpferwicklung durch eine Dämpferwicklung nach der Erfindung ersetzt wurde,die in den Endbereichen kein magnetisches Material aufweist. In Fig. 3 sind die radialen Flußdichten im Endbereich an dem einen Ende der Maschine in ihren Lagen relativ zu den Spulenköpfen 12 aufgetragen, die schematisch im unteren Bereich der Fig.

3 angedeutet sind. Fig. 4 veranschaulicht in ähnlicher Weise die

aus den Kurven der Fig. 3 errechneten Verluste, die in W/cm der Spulenköpfe 12 aufgetragen sind. Zum Vergleich ist in Fig. 4 ferner eine Bezugskurve C eingetragen, die den Nennverlust andeutet, der sich aufgrund eines Gleichstromes in der Ständerwicklung ergeben würde, der dem Nenn-Wechselstrom der Maschine für Vollast gleich ist. Fig. 3 und 4 zeigen deutlich die erhebliche Verringerung der radialen Flußdichte in den Endbereichen sowie die entsprechende Verringerung der Verluste und der sich daraus ergebenden Erwärmung infolge der Entfernung magnetischen Materials aus den Endbereichen.

Allgemein kann für die Mittelabschnitte der Dämpferstäbe jedes geeignete magnetische Material verwendet werden, ebenso wie für

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die Endabschnitte und die Endringe jedes gewünschte nichtmagnetische Material ausreichender elektrischer Leitfähigkeit Verwendung finden kann. Die Werkstoffe müssen sich jedoch zuverlässig miteinander verbinden lassen und dabei eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleisten. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind ein Mittelabschnitt und angrenzende Endabschnitte durch Schweißung miteinander verbunden, jedoch kommt naturgemäß grundsätzliche jede andere geeignete Form der Verbindung in Frage.

Patentansprüche ι

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Claims (4)

1. P-a t e ntansprüche

   rl J Dynamoelektrische Maschine mit einem Ständer, der in Nuten eines magnetischen Ständerpaketes eine Ständerwicklung aufnimmt, die mit Spulenköpfen über das Ständerpaket hinausragt, sowie einem Läufer mit einer Mehrzahl ausgeprägter Pole, die mit einer Dämpferwicklung ausgestattet sind, die sich mit Dämpferstäben axial durch die Pole erstreckt und unterhalb der Spulenköpfe axial mit Endabschnitten über diese hinausragt, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Polen (15, 1,6) aufgenommenen Mittelabschnitte (22) der Dämpferstäbe (20) aus magnetischem Material und die über die Pole hinausragenden Endbereiche der Dämpferwicklung aus nichtmagnetischem Material bestehen.
2. 2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Endbereiche der Dämpferwicklung Endabschnitte (23) der Dämpferstäbe (20) sowie diese kurzschließende Endringe (21) aufweisen.
3. 3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Enden der Pole (15, 16) nichtmagnetische Endplatten (18) angeordnet sind.
4. 4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelabschnitte der Dämpferstäbe in den Polen aus magnetischem Stahl und die Endbereiche der Dämpferwicklung aus nichtrostendem Stahl hergestellt sind.

   KN/me 5 3ÜUB1Ü/U688