DE2351453B2 - Anordnung zum feststellen der exzentrizitaet von rotoren in umlaufenden elektrischen maschinen - Google Patents

Description

in der

N_H =

P =

π =

/77 =

N_K =

Il

Anzahl der Rotornuten (16),

Anzahl der Pole der Hauptwicklung,

Quotient des Spulenabstandes dividiert durch den Polabstand,

ganze Zahl, die größer als 1 und so gewählt ist, daß Nr auch eine ganze Zahl ist,

und daß die Prüfspulen (10, U) in an sich bekannter Weise mit gleicher Form und gleicher Windungszahl in einem dem Polabstand oder einem Vielfachen davon entsprechenden Winkel um je einen Ständerzahn gewickelt sind.

2. Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen, welche einen laminierten Rotor und einen laminierten Stator aufweisen und in deren Stator mindestens zwei Prüfspulen symmetrisch zur Mittelachse des Rotors angeordnet und in Reihe derart miteinander verbunden sind, daß die Grundschwingungen der in ihnen induzierten Spannungen sich aufheben, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung bei einem Rotor mit axialem Luftspalt und einer ungeraden Anzahl (Nh) von Rotornuten (16) die Anzahl (N_K)der Rotornuten (16) so bemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:

ρ 2/71 — 1

in der

Anzahl der Rotornuten (16),

Anzahl der Pole der Hauptwicklung,

Quotient des Spulenabstandes dividiert durch den Polabstand,

ganze Zahl größer als 1, die so gewählt ist, daß Nr eine ungerade Zahl ist.

und daß die Prüfspulen (10,11) in an sich bekannter Weise mit gleicher Form und gleicher Windungszahl in einem dem Polabstand oder einem Vielfachen davon entsprechenden Winkel um je einen Ständerzahn gewickelt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2 für elektrische Maschinen mit axialem Luftspalt, gekennzeichnet durch vier Prüfspulen, die in der Weise angeordnet sind, daß je zwei der vier Prüfspulen einander gegenüber um 180° elektrisch versetzt hintereinandergeschaltet sind, während die anderen beiden Prüfspulen in einem dem Polabstand entsprechenden Winkel oder einem ganzen Vielfachen desselben zwischen den Polen angeordnet und hintereinandergeschaltet sind, und daß die Anzahl der Rotornuten (16)uurch die folgende Formel bestimmt ist:

Λ« =

2 »ι, - I

in der

/77, =

= Anzahl der Rotornuten (16), = Anzahl der Pole der Hauptwicklung, = Quotient des Abstands zwischen den anderen beiden Spulen dividiert durch den Polabstand mit Ausnahme der ganzen Zahl p/2,

eine ganze Zahl, die größer als 1 und so gewählt ist, daß /V« eine gerade, ganze Zahl ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen, welche einen laminierten Rotor und einen laminierten Stator aufweisen und in deren Stator mindestens zwei Prüfspulen symmetrisch zur Mittelachse des Rotors angeordnet und in Reihe derart miteinander verbunden sind, daß die Grundschwingungen der in ihnen induzierten Spannungen sich aufheben.

Es ist eine solche Anordnung zur Ermittlung von in umlaufenden elektrischen Maschinen auftretenden Fehlern bekannt, wobei im Stator in einem bestimmten Abstand voneinander liegende Leiter verwendet werden, die in einen Stromkreis eingeschaltet sind, welcher mit einem Satz Ablenkplatten eines Oszillographen verbunden ist (DT-AS 10 51 964). Bei dieser Anordnung muß aus dem Oszillogramm, das auch die stationäre 50-Hz-Schwingung des Hauptfeldes zeigt, das Auftreten eines Fehlers ermittelt werden.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Luftspaltüberwachung bei elektrischen Maschinen unter Verwendung von Meßspulen bekannt, um Verlagerungen des Rotors während des Betriebes rechtzeitig feststellen zu können (DT-OS 19 03 410). Dabei wird die in jeder Meßspule induzierte Spannung in eine Gleichspannung gleichgerichtet, und die Differenz zwischen den gleichgerichteten induzierten Spannungen aus den zwei sich jeweils gegenüberliegenden, mit gleicher Form und gleicher Windungszahl um je einen Ständerzahn gewickelten beiden Meßspulen wird als Spannungssignal benutzt. Da die in den Meßspulen induzierten Spannungen hierbei erst nach ihrer Sperrung, Gleichrichtung und Filterung verwertet werden, kann die Genauigkeit der Anzeige beeinträchtigt werden.

(>o Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen zu schaffen und so auszubilden, daß die Anordnung eine erhöhte Anzeigeempfindlichkeit und eine große Anzeigegenauigkeit gewährleistet.

Ein erster Lösungsweg dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß bei der eingangs genannten Anordnung darin, daß bei Anwendung bei einem Rotor mit

Jb

adialem Luftspalt und einer geraden Λη/ahl (N_lt) von totornuten die Anzahl (Nr) der Rotornuten so lemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:

Anzahl der Rotornuten (16),

Anzahl der Pole der Hauptwicklung,

Quotient des Spulenabstandes dividiert durch den PoU.bstand,

ganze Zahl, die größer als 1 und so gewählt ist, daß Nr auch eine ganze Zahl ist,

und daß die Prüfspulen in an sich bekannter Weise mit gleicher Form und gleicher Windungszahl in einem dem Polabstand oder einem Vielfachen davon entsprechenden Winkel um je einen Ständerzahn gewickelt sind.

Ein zweiter Lösungsweg dieser Aufgabe besteht darin, daß bei Anwendung bei einem Rotor mit axialem Luftspalt und einer ungeraden Anzahl (Nr) von Rotornuten die Anzahl (Nr) der Rotornuten so bemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:

im

in der

Anzahl der Rotornuten (16),

Anzahl der Pole der Hauptwicklung,

Quotient des Spulenabstandes dividiert durch den Polabstand,

ganze Zahl größer als 1, die so gewählt ist, daß Nr eine ungerade Zahl ist,

und daß die Prüfspulen in an sich bekannter Weise mit gleicher Form und gleicher Windungszahl in einem dem Polabstand oder einem Vielfachen davon entsprechenden Winkel um je einen Ständerzahn gewickelt sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Meßempfindiichkeit der Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren über das bei bekannten Anordnungen erreichbare Maß wesentlich erhöht wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungen der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren, um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen,

F i g. 2 eine Längsschnittansicht einer eingehülsten Motorpumpe mit einem Motor mit magnetischem Radialluftspalt, auf den die Erfindung angewendet wird, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A von F i g. 2,

Fig.4 einen Vertikalschnitt durch eine eingehülste Motorpumpe mit einem Motor mit axialem Luftspalt, auf den diese Erfindung Anwendung findet.

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie B-B von F i g. 4,

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung eines Klemmenkastens mit einer Anordnung von Klemmen,

F i g. 7 in graphischer Darstellung eine in einer erfindungsgemäß angebrachten Prüfspule induzierte Snannuneswelle.

I- i g. 8 eine Aufnahme einer üs/Jlloskopisch gemessenen Spannung, die in der Prüfspule tatsächlich induziert wird,

Fig. 9 und Fig. 10 Wellenformen von in den ί jeweiligen, einzelnen Prüfspulen induzierten Spannungen,

Fig. 11 eine Wellenform einer Differenzspannung zwischen den in den F i g. 9 und 10 dargestellten Spannungen,

ίο Fig. 12 eine Aufnahme der tatsächlich gemessenen Differenzspannung, die der in Fig. 11 dargestellten entspricht,

Fig. 13 und Fig. 14 in graphischer Darstellung Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung,

i.s Fig. 15 und Fig. 16 Oszilloskopaufnahmen, die Ausgangssignale der erfindungsgemäßen Anordnung zeigen und

Fig. 17, Fig. 18 und Fig. 19 Kennwertkurven für die erfindungsgemäße Anordnung.

Gemäß Fig. 1, die in einem Blockschaltbild die Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, besteht die Anordnung aus Prüfspulen 10,11, Anzeigevorrichtung, einem Warnkreis und einem Schutzkreis oder Stromkreisunterbrecher als wesentliehe Bestandteile. Die nachstehende Beschreibung beschränk· sich auf Aufbau und Arbeitsweise der Prüfspulen.

Die F i g. 2 und 3 zeigen den Aufbau einer eingehülsten Motorpumpen-Einheit mit einem Asynchronmotor mit magnetischem Radialluftspalt, in den der aus zwei Prüfspulen bestehende Fühler eingebaut ist. Diese Art Asynchronmotor wird nachstehend kurz mit R-Motor bezeichnet. F i g. 4 und 5 zeigen den Aufbau einer anderen eingehülsten Motorpumpen-Einheit, bei der ein Asynchronmotor mit magnetischem Axialluftspalt Verwendung findet (nachstehend kurz als Α-Motor bezeichnet), der mit einer Fühlereinrichtung versehen ist. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei den beiden dargestellten Motorpumpen-Einheiten bei den Motoren um zweipolige Asynchronmotoren handelt.

Auf den F i g. 2 bis 5 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein Pumpengehäuse mit einer Flüssigkeitsansaugöffnung 2, einer Auslaßöffnung 3 und einem Flügelrad 4 zwischen den öffnungen 2 und 3. Die Zahl 5 bezeichnet ein Außengestell zum Befestigen eines Ständers 6 mit mehreren Ständernuten 7, die durch Ständerzähne 8 voneinander getrennt sind. In den Nuten 7 sind Ständerwicklungen 9 angeordnet. Prüfspulen, die die Fühlereinrichtung bilden, sind durch die Bezugszahlen 10 und 11 bezeichnet. Um die gepumpte Flüssigkeit daran zu hindern, in die Ständereinheit zu laufen, ist eine Ständerhülse 12 angebracht. Die Bezugszahl 13 bezeichnet den magnetischen Luftspalt des Motors, der während des Betriebes der Pumpe mit der strömenden Flüssigkeit gefüllt ist. Bezugszahl 14 bezeichnet eine Welle. Im Falle des auf Fig.2 und 3 dargestellten R-Motors ist diese Welle 14 drehbar, während die Welle 14 des auf Fig.4 und 5 dargestellten A-Motors

do feststeht. Weiterhin bezeichnet die Bezugszahl 15 einen Läufer mit mehreren Nuten 16, in die Käfigläuferstäbe 17 eingebettet sind. Der Läufer 15 ist mit Bundringen 18 versehen und in eine Läuferhülse 19 eingeschlossen, die dazu dient, die Flüssigkeit daran zu hindern, in die Läufereinheit zu laufen. Im Falle des auf F i g. 2 und 3 dargestellten R-Motors ist der Läufer 15 drehbar in zwei feststehenden Lagern gelagert. Andererseits sitzt beim Α-Motor, der auf F i g. 4 und 5 dargestellt ist, ein

einziges Lager 20 drehbar auf der feststehenden Welle 14.

Die Bezugszahlen 21 und 22 bezeichnen eine Radialgleitfläche oder ein Radialgleitelement bzw. eine Axialgleitfläche oder ein Druckgleitelement für die Lager 20 des R- bzw. Α-Motors. Es ist ein Umwälzrohr 23 angebracht, damit die Flüssigkeit durch dieses hindurchfließen kann, um die Schmierung der Lager 20 sowie die Kühlung des Motors zu bewirken. Die Motorpumpen-Einheit hat einen Klemmenkasten 24 und ist fest auf eine Grundplatte 25 montiert.

Fig.6 zeigt eine Anordnung von Klemmen im Klemmenkasten 24. Es sind drei Hauptklemmen 26 für die Phasen U bzw. V bzw. W vorhanden; diesen Klemmen wird von einem nicht dargestellten Energienetz elektrische Antriebskraft oder -energie zugeführt. Die Bezugszahl 27 bezeichnet Klemmen für den Fühler, an die die Klemmen der Prüfspulen 10 und 11 mit Hilfe der Leitungsdrähte M\ und M₇ angeschlossen sind. Die Prüfspulen 10 und 11 haben dieselbe Form und dieselbe Windungszahl. Bei den auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Spulen 10 und 11 auf Ständerzähne gewickelt, die zueinander diametral entgegengesetzt und symmetrisch zur Achse der Welle 14 oder zur Drehachse des Läufers 15 angeordnet sind.

Die Prüfspulen 10 und 11 sind miteinander zwischen den Klemmen M\ und M₇ in Serie geschaltet, wie es F i g. 1 schematisch zeigt.

Da der allgemeine Aufbau dieser Motorpumpen-Einheiten selbst herkömmlich ist, erübrigt sich deren \o weitere Beschreibung.

Wenn im Betrieb der in Fig.2 und 3 dargestellten Motorpumpe elektrischer Strom zugeführt wird, wird in den Prüfwicklungen oder -spulen 10 und 11 eine Spannung mit der in Fig. 7 dargestellten Wellenform .vs induziert. F i g. 8 zeigt die entsprechende Wellenform der in den Spulen 10 und 11 induzierten Spannung in einer Oszilloskopaufnahme, die bei laufendem Motor gemacht worden ist. Aus der Analyse dieser Spannungs-Wellenform hat sich ergeben, daß die Grundwellenkomponente die gleiche Frequenz wie der eingespeiste Strom hat, während die Frequenz der höheren Harmonischen durch die Anzahl Läufernuten 16, den Schlupf des Läufers 15 und die Polzahl bestimmt ist und mathematisch wie folgt ausgedrückt werden kann:

₌ 2/₄(l -S)N₃
.11 _p

Frequenz der höheren Harmonischen,

Netzfrequenz,

Zahl der Läufernuten,

Schlupf des Läufers und

Polzahl der Hauptwicklung

bedeutet.

Da zwei Prüfspulen 10 und It symmetrisch zur Drehachse des Läufers angeordnet sind, oder — mit anderen Worten — diese Prüfspulen zueinander winkelmäßig um einen Abstand verschoben sind, der dem zwischen den Polen im zweipoligen Motor entspricht, sind die Grundwellcnkomponenten der in diesen Spulen 10 und Il induzierten Spannungen gleichphasig und haben di'-velbc Fom. Trotzdem die durch Gleichung (1) bestimmten, durch die Frequenz erzeugten Harmonischen dieselbe Wellenform haben,

läßt sich die Phasenbeziehung zwischen ihnen in di gleichphasige und die gegenphasige Beziehung unterte len. Stellt man das mathematisch dar, so gilt:

K₁ = K₁ sin ι.._Λί + I „ sin(<■<„( + \). (2)

K₂ = K_vsin<-_Vr + 1·',, sin(r.<„/ + λ). (3)

K₂,= Κ_Λ sinmj + K_Hsin(«.i„f + \ - .-7). (4)

worin

Vi = durch die Prüfspule 10 erzeugte Spannung,

V₅ = Spitzenwert der Grundwellenkomponente voi

O)₅ = 2π/^Winkelgeschwindigkeit, ω» = 2 π //y= Winkelgeschwindigkeit,

t = Zeit,

α = Phasenwinkel,

V₇ = durch die Prüfspule 11 erzeugte Spannung

deren Harmonische mit der von V_t phasengleicl

ist und
Vr = durch die Spule 11 erzeugte Spannung, die

Harmonische-Komponenten entgegengesetztei

Phase (phasenverschoben nach n) zu der von V

enthält,

darstellen.

Zur Ableitung des Fühlersignals kann man unter der obigen Gleichungen entweder die Kombination von (2 und (3) oder (2) und (4) auswählen. Nimmt man ersten: an, daß die in den Spulen 10 und 11 erzeugter Grundwellen und Harmonischen beide phasengleich sind, so wird der Fall ins Auge gefaßt, wo die Kombination der Gleichungen (2) und (3) Anwendung finden kann.

Für die Verfügbarkeit dieser Kombination ist es erforderlich, daß die Anzahl der Nuten des Läufers eine gerade Zahl darstellt. Sind die Prüfspulen 10 und 11 se geschaltet, daß die Grundwellenspannungen V_ssin ω _4l einander aufheben können, so ist ihre zusammengesetzte Spannung gleich Null, denn

11 - I₂ = 0.

In der Hauptsache wird diese Schaltung beim R-Motor benutzt. Wenn infolge von Abnutzung odet Verschleiß des Lagers 20 die exzentrische Umdrehung oder Drehschwingung der umlaufenden Welle oder ähnliches auftritt, während der R-Motor läuft, so muC Gleichung(2) wie folgt umgeformt werden:

||„ | ,._sin(,Mi | /,')! sin (,.,„; -)■ λ).

wobei

i> = Spitzenwert der durch die exzentrische Drehung

erzeugten Spannung,
ω = Winkelgeschwindigkeit der exzentrischen LJm

drehung und
β = Phasenwinkel

darstellen.

Zusätzlich kann der mathematische Ausdruck (3) durch den folgenden ersetzt werden:

+ M⁷;,. - c sin {<■./ + /i)| sin (r.„/ + ι\).

(7)

In den Ausdrücken (6) und (7) wird das Vorzeichen (+oder—) vor dem Glied usin (u>/H-/i) deshalb umgekehrt, weil auf Grund der diametral entgegengesetzten Anordnung der Wicklungen 10 und 11 die Zunahme ό der Breite des Luftspaltes vor der einen Prüfspule (10 und 11), die durch die exzentrische Drehung des Läufers verursacht wird, zu einer entsprechenden Verkleinerung von <5 im Luftspalt vor der anderen Prüfspule (11 oder 10) führt, wodurch die Phasendifferenz zwischen den Spannungen ν den Betrag π rad. annimmt.

Ersetzt man Vi und V₂ durch die Gleichungen (6) und (7), so lautet die Gleichung (5) dann:

K₁ - V₂ - 2rsin(e</

(8)

Der Wert von ν ist eine Funktion der Veränderung der Breite des Luftspaltes, die durch die exzentrische Drehung des Läufers usw. verursacht wird. Nimmt man an, daß das Lager des Motors einem Verschleiß in Höhe eines Betrages ό unterworfen war, so ist

Aus den Gleichungen (8) und (9) folgt:

K₁ - K₂ = 2/(.·>) sin(«../ + /;)sin(i..„/ H- \).

Prüfspulen die Veränderungen der Exzentrizität ό unter sämtlichen vorstellbaren Betriebsbedingungen des Pumpenmotors mit hoher Genauigkeit selbst dann feststellen, wenn Netzspannung und Laststrom des Motors beträchtlich schwanken.

Nachstehend soll nun der Fall behandelt werden, in dem die Grundwellen phasengleich sind, während die Phasen der Harmonischen entgegengesetzt (um π rad. phasenverschoben) sind. Das ist der Fall, wenn die Kombination der Gleichungen (2) und (4) zur Anwendung kommen kann. Dabei wird zugrunde gelegt, daß die Anzahl der Läufernuten eine ungerade Zahl sein muß. Indem man die Prüfspulen 10 und 111 in Serie schaltet, so daß die Grundwellen-Komponenten einander aufheben können, läßt sich die zusammengesetzte Spannung wie folgt ausdrücken:

K₁ - K₂, = K„|sin(i..„/ H- λ) - sin(i..„/ + λ - .-τ) = 2K„sin(i.i„( + α.) . (11)

Diese Kombination wird hauptsächlich für den Α-Motor gewählt. Der letztere unterscheidet sich vom R-Motor insofern, als der Luftspalt als Ganzes oder gleichmäßig verkleinert wird, wenn sich das Druckgleitelement 22 abnutzt. Es ist deshalb wichtig, die Abnutzung des Druckgleitelements 22 festzustellen.

Nimmt man an, daß die Druckgleitfläche des Lagers sich um den Betrag γ abgenutzt hat, so läßt sich Gleichung (2) wie folgt umformen:

K₁ = K,. sin <·..,/ + (V ,ι + r_H)sin(i'i„f + λ),

(12)

(10) 35 wobei

Aus dieser Gleichung (10) geht hervor, daß die in den Prüfspulen induzierte Spannung eine Funktion von δ ist; auf dieser Tatsache beruht das Prinzip des erfindungsgemäßen Fühlers.

Die Gleichung (8) stellt eine modulierte Harmonische mit einer Spitzenamplitude von 2v und einem Mindestwert Null dar. Das macht es verständlich, daß der Wert von (Vi - V₂) proportional zur Veränderung von υ ansteigt.

F i g. 9 zeigt die Wellenform der Spannung, die durch die Prüfspule 10 erzeugt wird, die in einen Motor mit einem Läufer mit 14 Nuten eingebaut ist, dessen Exzentrizität den Betrag ö erreicht hat. F i g. 10 zeigt die Spannungswellcnform, die durch die Prüfspule 11 desselben Motors erzeugt wird. F i g. 11 ist ein Schaubild von Gleichung (8) und F i g. 12 eine üszilloskop-Aufnahme der Spannung, die der in Fig. 11 dargestellten entspricht und bei laufendem Motor gemacht worden ist. Die Ähnlichkeit zwischen der Kurve von F i g, 11 und der auf der Aufnahme Fig. 12 untermauert die Gültigkeit der vorstehenden, mathematischen Analyse des Prinzips dieser Erfindung.

Fig. 13 ist ein Schaubild für die Abhängigkeit zwischen ö und (Vi - V₁.) in Form von Meßwerten, die bei konstanter Netzspannung und konstantem l.aststrom erhalten wurden. Fig. 14 zeigt die Werte von (ν¹, - V₂) im Zusammenhang mit den Schwankungen der Exzentrizität (V wobei auch clic Netzspanntingsschwankung berücksichtigt worden isi und die Ventilöffnungen als Parameter benutzt wurden. Wie aus der graphischen Darstellung der I¹"ig. 14 und insbesondere Hör schraffierten Zone zu ersehen ist, können die Vh = Spitzenwert der Erhöhung der Harmonischen Spannung, die durch die gleichförmige Verklei nerung γ des axialen Luftspaltes erzeugt wird.

Weiterhin läßt sich die Gleichung (4) in die folgend» Form bringen:

K₂, = K„ sin i'ij H- (l'ii -I- V_n) sin(i'»;;'

■15 (13) und deshalb ist

K₁ - K₂, = 2(K„ H c„)sin(,.,„/ ι χ). (14)

Aus diesem Ausdruck (14) geht hervor, daß (V| — Vi bei der Abnutzung Null gleich | 2 Vn ist und auf

anwächst, wenn die Abnutzung den Betrag γ erreich s> Auf diese Weise läßt sich die Veränderung von feststellen.

Fig. 15 zeigt die Wellenform der Spannun

(Vi - V₂), durch die Gleichung (11) ausgedrückt, di

unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. Luftspa <«> 1,2 mm und nicht abgenutztes Druckglcitclcmcnt 7 oder)' = 0, des Α-Motors gemessen wurde.

Fig. 16 zeigt die tatsächlich gemessene Wcllcnfon

der Spannung (Vi - V₂), durch die t>„ enthaltene

Gleichung (14) ausgedrückt, wenn die Abnutzung 5' di (.', Druckgleitelements 21 den Betrag von 0,8 mm erreicl

und der Luftspalt sich auf 0,4 mm verkleinert hatte. Fig. 17 zeigt die Resultate von Messungen vi

(Vi- V..■) und γ bei konstanter Netzspannung in

konstantem Laststrom. Die schraffierte Zone von Fig. 18 zeigt einen Bereich von Änderungen von (V\ - V₂), der vorstellbaren Schwankungen von Netzspannung und Laststrom entspricht. Aus diesem Schaubild ist zu erreichen und zu ersehen, daß sich die Abnutzung γ des Druckgleitelements 21 des A-Motors ebenfalls mit hoher Genauigkeit feststellen läßt. In Verbindung mit der Gleichung (14) läßt sich die Empfindlichkeit noch weiter steigern, wenn an V„ eine Vorspannung angelegt wird.

Vorstehend ist die Erfindung lediglich anhand des zweipoligen Elektromotors beschrieben worden; man wird aber ohne weiteres erkennen, daß sich die

10

Erfindung auch auf einen Motor mit vier oder sech: Polen anwenden läßt. In diesem Falle nimmt aber die Anzahl der möglichen Kombinationen von Positioner der beiden Prüfspulen zueinander und der IPriifspuler gegenüber den Läufernuten entsprechend 2:11, so daß eine Auswahl geeigneter Kombinationen erforderlich ist. Nachstehend soll als Beispiel ein Motoir mit vier Polen behandelt werden.

Wenn man annimmt, daß der magnetische Luftspalt um γ verkleinert wird und daß der Exzenterradius bei der Umdrehung des Läufers den Betrag ö hat, so lassen sich die induzierten Spannungen V\ und Vi wie folgt ausdrücken:

K₁ = K_s. sin m_st + \V„ + r„ + ι-sin (ei/ + />',)[ sin (w„t +A₁), K₂ = V_ss'm<nj +W₁₁ + e„ + r sin (ei + />'₂)}sin (o„r + .v,).

wobei ß\ und ß₂ Phasenwinkel sind, die durch die Winkelpositionierung der Prüfspulen bestimmt werden. Der Wert (ß\—ß₂) wird in Abhängigkeit von den Relativpositionen zwischen den einzelnen Prüfspulen bestimmt. Λ| und 1x2 stellen Phasenwinkel dar, die durch die Prüfspulen und die Positonen der Läufernuten gegenüber diesen Spulen bestimmt sind. Der Wert (X]-X₂) kann durch die Anzahl der Läufernuten bestimmt werden, und im Falle eines Motors mit η Polen kann (ß\-ß₂) η verschiedene Werte annehmen, und zwar einschließlich desjenigen Falles, wo der Abstand zwischen den Prüfspulen gleich dem Abstand zwischen den Polen oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Abstandes ist. Im Falle des Motors mit vier Polen kann also [ß\—ß₂) die vier verschiedenen Werte 0,-^- , π und "^-annehmen. Da die Phasenwinkeldil'ferenz (tx\—x₂)

zwischen den benachbarten Läufernuten gleich 2π ist, kann (oc\ -ac₂)unabhängig von der Zahl der Läufernuten für einen Motor mit η Polen η verschiedene Werte annehmen. Demgemäß kann im Falle des vierpoligen Motors (oi\ -Oi₂) die vier verschiedenen Werte 0,-^-, π und --L annehmen. Folglich sind beim vierpoliger

Motor 4 ■ 4 = 16 verschiedene Kombinationen vor (tx\— (X₂) und (ß\—ß₂) theoretisch denkbar, wovor jedoch aus technischen Gründen fünf Kombinationer wegfallen, so daß die verbleibende Anzahl praktisch möglicher Kombinationen 11 ist. Die Prül'spannung (V\— V₂) wird ermittelt, indem man Gleichung (16) vor Gleichung (15) subtrahiert und dann den folgender Ausdruck erhält:

_ V₁ = ;|/„ _{+ Vll} _|_ csin(<../ + ii_x)\ sin(i.<_f/f + \,) - ! V₁₁ + V₁₁ + ν sin (ei r + /Λ)! sin(ci„r + \₂).

(17)

Die Resultate von Berechnungen für die eil verschiedenen Kombinationen auf der Basis der obiger Gleichung (17) sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt, wobei die Symbole »x« bedeuten, daE entsprechende Kombinationen unmöglich sind.

Tabelle 1

0 0

;,' 'i2csin(cii ■■!■//, -ι- .'J χ sin(c_l/(/

max: I 2c
min: 0

2(1',, I r,,)² 1 c² 1- 2|2(K„ 1 r„)csii/,

»i -l- /i, -

χ sin(c/„( ι- χ, ι (■)) max: | 2(V_n -I- c„) 1 c min: |2(l'„ I ,-„) - c

.7 2csin(e// l /7|) χ sin(ci_/(i ι \
max: 2c
min: 0

2csill (ml I //, .' j X SUl(O,,

max: I 2c
min: 0

/2(l „ 1 c,,)² I 1·² I 2 |2(1'„ I c„)csii/c/ -1 //, ι ^

χ sm(ci„f l· \, 1- H) niiix: I 2(1'',, I c„) I r min: | 2[V₁₁ I c„) ■■■ c

Fortsetzung

2(V₁₁ + ι-,,) + I 2i.sin

χ sin(<'i,,f + λ,)
max: 2(K,, + »„) + 1 2ν min:2(K„ + <·„) - Ι2ι-

2(V₁₁ + y_H)sin(<.._Hr + <>,) max: 2(V,, + i>„)
min: 2(K,, + d„)

2(K_H + ι-,,) + I 2i-sin

χ sin(<»„i + Λ[)
max: 2{V_ll + v„) + \ 2ν min: 2(K„ + i>„) - | 2 ν

+ lh - ~

+ Ii₁ + γ

l^/„ + i'„)² + "² + 2l2(K„ + i.„)i'sin («η+ Ii₁ -

χ sin (i»„r + Λ, + (-))
max: I'2(K,, + v_H) + !■
min: 1 2(K„ + c„) - ι-

2(K_H + «.„)² + _l-² + 2l2(K„+,

χ sin((.<„f + A₁ + (-))
max: | 2(K,, + v„) + ν
min: I 2(K,, + e„) - ν

+ lh

Zusätzlich zu den fünf technisch nicht möglichen Kombinationen, wie sie durch die Symbole »x« bezeichnet sind, macht die Kombination von

den Wer) von (K₁ - K₂) zu Null, so daß diese Kombination nicht verwendet werden kann. Somit reduzieren sich die brauchbaren Kombinationen auf zehn Variationen. Weiter nimmt (K₁ — K₂) für zwei verschiedene Kombinationen von (A₁ — \-> = 0)

(lh - lh = ³^

•15 hergeleitet werden können, wenn man anhand von (Y_{ - V₂) die möglichen Kombinationen miteinander vergleicht.

Als nächstes wollen wir untersuchen, welcher der oben angegebenen fünf Ausgänge am besten als Ausgangssignal des Fühlers für den R-Motor vorgezogen wird. Wie oben erklärt, wenn der R-Motor begleitet von der Drehschwingung oder Exzentrizität angetrieben wird, die durch die Abnutzung γ des Lagers verursacht wird, wird die Wechselspannung υ sin (ωΐ + β) in jeder Prüfspule induziert, die sich der Grundwellen-Komponente überlagert. Die Abnutzung γ und der Wert υ stehen, wie bereits erwähnt, in direkter Beziehung zueinander. Weil der Wert von Vn als Null angesehen werden kann, erkennt man sofort, daß die beste Kombination diejenige ist, die die Feststellung des Wertes von (V - V₂) als Funktion von nur einer Variablen, nämlich υ, gestattet. Die diese Bedingung erfüllenden Kombinationen lassen sich in der Darstellung von Tabelle 1 finden. Es sind Kombinationen von

denselben Wert an. Zusätzlich nimmt (V₁ - K₂) ebenfalls denselben Wert an für vier verschiedene Kombina- so tionen von

(x,

. .1 uihI

V)·

ss Unter diesen drei Kombinationen ist der Piül'ausgaiij. Λ; _fi ...- ' _lK|_C|· ' ■' Α für die beiden Kombinationen, in denen

(K, - K₂) isl dasselbe für zwei verschiedene Kombina- und tionen von ^<1(1

/'Ί

ist, iler gleiche. Vergleicht man den Prüfgang für dicsi zwei Kombinationen mit dem Ausgang, dci bei de ds Kombination verfügbar ist, in der

Kurz gesagt wird man erkennen, daß im Falle des

viornolicen Motors fünf verschiedene Prüfausgange ist, so stellt man fest, dall der letztere größer ist als de

'Jj

erstere, und zwar um einen Faktor \/2. Daraus wird der Schluß gezogen, daß die Kombination von

die beste ist. Diese Kombination läßt sich so realisieren, daß man die Prüfspulen symmetrisch zur Drehmittelachse des Läufers anordnet, wie dies bei der zweipoligen Maschine der Fall ist, wobei die Läufernuten, die den jeweiligen Prüfspulen gegenüberstehen, in den gleichen relativen Positionen angeordnet sind. Demgemäß muß die Anzahl der Läufernuten eine gerade Zahl sein.

Im allgemeinen äst im Falle des R-Motors mit η Polen die Feststellung einer exzentrischen Drehung am wichtigsten, wofür die Kombination von

(«1—«2 = 0)

h - lh = 4" ' ·^{7 und} ~2

M - ^P ■ '"-'

'»R — -T

Ii 2

(18)

wobei

(b) Falls sowohl i>//als auch t> erzeugt werden: Müssen i>//und ν getrennt festgestellt wurden, so wird dazu im Falle von i>//dic Kombination von

₁-(X: = .τ)

am besten geeignet ist und die Läufernutenzahl ebenfalls eine gerade Zahl sein muß.

Als nächstes soll der Α-Motor untersucht werden:

(a) Falls nur vn induziert wird und υ Null ist: Dies ist der Fall, wenn nur der Verschleiß des Druckgleitelements erfolgt und der Magnetluftspalt gleichförmig verkleinert wird. Aus Tabelle i ist zu ersehen, daß der stärkste Prüfausgang von vn bei ν gleich Null aus den drei Kombinationen von

erhalten werden kann. Die Anzahl der Läufernuten, die diese Kombinationen möglich macht, läßt sich mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnen:

Nr die Anzahl der Läufernuten (eine ganze Zahl)

darstellt,
π der Quotient aus Abstand zwischen zwei Spulen,

dividiert durch den Polabstand, ist und /n eine ganze Zahl bedeutet, die größer als 1 ist und so

gewählt wird, daß auch Nr eine ganze Zahl ist.

Nimmt man an, daß

0C\—0i2 —

ist und

so ist beim vierpoligen A-Motor /7 = 2 und damit

N₁₁ =

^-m -1

(19) benutzt und im Falle von ν die Kombination von

((X] — /X2 — O)

und

Soll das zusammengesetzte Signal von vn und υ abgenommen werden, so kann entweder die Kombination von

-° und (lh - lh = f)

■>- benutzt werden oder die Kombination von

und

Die Prüfspulen lassen sich genauso anordnen wie bei der zweipoligen Maschine; die Anzahl der Läufernuten ist eine ungerade Zahl.

Jedoch ist die letztere Kombination vorzuziehen, da ein größerer Ausgang verfügbar ist.

Um noch einmal zusammenzufassen: Man sollte erkennen, daß die gewünschte Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung nur erhalten werden kann, indem man die Positionen bestimmt, an denen zwei Prüfspulen angeordnet sind, sowie auch selektive Bestimmung der Anzahl der Läufernuten. Berücksichtigt man, daß die Wahl der Anzahl der Läufernuten ein Faktor ist, der beim Entwurf und Bau elektrischer Maschinen eine wichtige Rolle spielt, so versteht man, daß die vorstehend erwähnten Ziele der Erfindung nicht einfach dadurch erreicht werden können, daß man zwei Prüfspulen in Serie miteinander schaltet, sondern daß man den Grundaufbau der elektrischen Maschine von vornherein auf das Zusammenwirken mit diesen Prüfspulen hin gestalten muß.

F i g. 19 zeigt Schwankungen der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Anordnung, die während des Phasenausfall-Betriebes eines Dreiphasen-Asynchronmotors gemessen wurden, in den diese Anordnung eingebaut ist. Der Laststrom ist als Abszisse aufgetra gen und der Prüf ausgang als Ordinate. Das Symbol »O< stellt den normalen Betriebszustand des Motors dar, da; Symbol »x« eine Störung in der R-Phasenleitung, da: Symbol »D« die Störung in der S-Phase und das Symbo » Δ « die Störung in der T-Phase dar. Aus dem Schaubih Fig. 19 geht hervor, daß die erfindungsgemäßi Anordnung in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit da Auftreten sämtlicher Phasenstörungen beim Betrieb de Dreiphasen-Asynchronmotors festzustellen.

Somit kann die erfindungsgemäße Anordnung sowor bei Kurzschluß als auch bei Erdschluß durch Ansteige der Ausgangsspannung der Prüfspuien eine Warnun auslösen.
Die Vorteile dieser Erfindung sind die folgenden:

Die elektrische Maschine, die die erfindungsgemä-Üe Anordnung enthält, kann nach der Montage und vor der Auslieferung auf einwandfreie Beschaffenheit in mechanischer und elektrischer Hinsicht geprüft werden.

) Betrieb und Wartung der elektrischen Maschinen werden ohne Störung durchgeführt, da die Abnutzung des Lagers früher festgestellt werden kann als mit herkömmlichen Fühlern, die erst zu einem Zeitpunkt ansprechen, wenn die Abnutzung auf einen vorgegebenen Grenzwert steigt. Die erfindungsgemäße Anordnung kann ein Vorwissen möglicher Störungen zu einem früheren Zeitpunkt ergeben.

) Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich besonders für die Benutzung zum Schutz des nicht freiliegenden Motors wie etwa des in der eingehülsten Motorpumpen-Einheit und ist in der Lage, die durch in den Luftspalt gelangende Fremdkörper verursachte anormale Drehung des Motors, ebenso Verformung und Ausdehnung der Hülse, festzustellen.

) Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft in einem Motor benutzt werden, der ein eingeschränktes schmales Wellcnspiel hat, wie etwa ein Motor in explosionsgeschützer Ausführung,
e) Da die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur die mechanischen Störungen in einer elektrischen Maschine, die in Betrieb ist, feststellen kann, sondern auch einige elektrische, anomale Bedingungen in den Motorw icklungen und im Netz, kann man mit voller Berechtigung sagen, daß die beschriebene Anordnung die vielfältigsten Anwendungsbereiche findet und eine größere Brauchbarkeit auf den entsprechenden Gebieten der Technik zeigt.

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit Wechselstrom-Asynchronmotoren beschrieben worden. Es versteht sich aber, daß die Erfindung sowohl auf Wechselstrom- als auch auf Gleichstrom-Motoren und -generatoren Anwendung finden kann, die Zähne und Nuten haben, in welchem Falle die Prüfspulen einander gegenüberstehend im magnetischen Luftspalt angeordnet werden können. Im Falle einer elektrischen Drehfeldmaschine werden die Prüfspulen im Läufer angebracht.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen, welche einen laminierten Rotor und einen laminierten Stator aufweisen und in deren Stator mindestens zwei Prüfspulen symmetrisch zur Mittelachse des Rotors angeordnet und in Reihe derart miteinander verbunden sind, daß die Grundschwingungen der in ihnen induzierten Spannungen sich aufheben, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung bei einem Rotor mit radialem Luftspalt und einer geraden Anzahl (Nu) von Rotornuten (16) die Anzahl (N_K)dcr Rotornuten (16) so bemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird: