DE2351453C3 - Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen - Google Patents
Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen MaschinenInfo
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- DE2351453C3 DE2351453C3 DE19732351453 DE2351453A DE2351453C3 DE 2351453 C3 DE2351453 C3 DE 2351453C3 DE 19732351453 DE19732351453 DE 19732351453 DE 2351453 A DE2351453 A DE 2351453A DE 2351453 C3 DE2351453 C3 DE 2351453C3
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Description
in der
Nr =
P =
η =
m =
NR = i- ■ m .
Anzahl der Rotornuten (16),
Anzahl der Pole der Hauptwicklung,
Quotient des Spulenabstandes dividiert durch den Polabstand,
ganze Zahl, die größer als t und so gewählt ist, daß Nr auch eine ganze 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.
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 (Nr) von Rotornuten (16) die Anzahl (Nr)ost Rotornuten (16) so bemessen ist,
daß die folgende Beziehung erfüllt wird:
in der
Ng =
P =
m =
Anzahl der Rotqrnuten (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,
gegenüber um 180° elektrisch versetzt hintereinandergeschaltet sind, während die anderen beiden
Prüfspulen in einem dem Pciabstand entsprechenden Winkel oder einem ganzen Vielfachen desselben
zwischen den Polen angeordnet und hintereinandergeschaltet sind, und daß die Anzahl der Rotorniuen
(16) durch die folgende Formel bestimmt ist:
in der
Ng =
P =
P =
Ii] =
2 m, - 1
■>"
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,
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 Nr eine gerade, ganze 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
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 (DE-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
(DE-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.
fto 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 Anzei-
(>s gegenauigkeit gewährleistet.
Ein erster Lösungsweg dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß bei der eingangs genannten Anordnung
darin, daß bei Anwendung bei einem Rotor mit
radialem Luftspalt und einer geraden Anzahl (Nr) von Rotornuten die Anzahl (Nr) der Rotornuten so
bemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:
in der
Nr = Anzahl der Rotornuien (16),
ρ = Anzahl der Pole der Hauptwicklung, ι ο
η = Quotient des Spulenabstandes dividiert durch
den Polabstand,
/77 = ganze Zahl, die größer als 1 und so gewählt ist, daß Nr auch eine ganze Zahl ist,
/77 = ganze Zahl, die größer als 1 und so gewählt ist, daß Nr auch eine ganze Zahl ist,
15
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 gewi-kelt 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:
1 s
Π ? HJ — I
in der
Nr — Anzahl der Rotornuten (16),
ρ = Anzahl der Pole der Hauptwicklung,
η = Quotient des Spulenabstandes dividiert durch
den Polabstand,
m = ganze Zahl größer als 1, die so gewählt ist, daß Nr eine ungerade Zahl ist,
m = 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 Meßempfindlichkeit der 4s
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 so
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren, um das
Prinzip der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, ss
Fig. 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,
Fig. 6 eine perspektivische !Darstellung eines Klemmenkastens
mit einer Anordnung von Klemmen, <,s
F i g. 7 in graphischer Darstellung eine in einer erfindungsgemäß angebrarhten Prüfspule induzierte
Spannungswelle,
F i g. 8 eine Aufnahme einer oszilloskopisch gemessenen Spannung, die in der Prüfspule tatsächlich induziert
wird,
Fig. 9 und Fig. 10 Wellentormen von in den
jeweiligen, einzelnen Prüfspulen induzierten Spannungen,
F i g. 11 eine Wellenform einer Differenzspannung zwischen den in den Fig. 9 und ?0 dargestellten
Spannungen,
Fig. 12 eine Aufnahme der tatsächlich gemessenen
Differenzspannung, die der in F i g. 11 dargestellten
entspricht,
Fig. 13 und Fig. 14 in graphischer Darstellung Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 15 und Fig. 16 Oszilloskopaufnahmen, die AiiSgangssignale der erfindungsgemäßen Anordnung
zeigen und
Fi g. 17, Fi g. 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 wesentliche
Bestandteile. Die nachstehende Beschreibung beschränk; sich auf Aufbau und Arbeitsweise der
Prüfspulen.
Die Fig. 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 dich bei den beiden dargestellten Motorpumpen-Einheiten bei
den Motoren um zweipolige Asynchronmotoren handelt.
Auf den Fi g. 2 bis 5 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein
Pumpengehäuse mit einer Flüssigkeitsansaugöffnung 2, einer Auslaliöffnung 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 Naten 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 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
vcsehen und in eine Läuferhülse 19 eingeschlossen, die dazu dient, die Flüssigkeit daran zu hindern, in die
Läufereinheit zu laufen. Im Falle des auf Fig. 2 und 3 dargestellten R-Motors ist der Läufer 15 drehbar in
zwei feststehenden Lagern gelagert. Andererseits sitzt beim Α-Motor, der ajf F i jj. 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 Radialglcitelement 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. K 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 M2 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 Ständeizähne 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 M2 in Serie geschaltet, wie es
F i g. 1 schematisch zeigt.
Da der allgemeine Aufbau dieser Motorpumpen-Einheiten selbst herkömmlich ist, erübrigt sich deren
weitere Beschreibung.
Wenn im Betrieb der in F i g. 2 und 3 dargestellten Motorpumpe elektrischer Strom zugeführt wird, wird in
den Prüfwicklungen oder -spulen 10 und 11 eine Spannung mit der in F i g. 7 dargestellten Wellenform
induziert. Fig. 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 AnalyL= dieser Spannungs-Wellenform
hat sich ergeben, daß Jie 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:
läßt sich die Phasenbeziehung zwischen ihnen in die gleichphasige und die gegenphasige Beziehung unterteilen.
Stellt man das mathematisch dar, so gilt:
I1 = 1; sin ,-,j ■ I „ sin(-,/(f 4 \).
1; = I1 sin ,,j ■ I „ sin(c>„i · x).
1; = I1 sin ,,j ■ I „ sin(c>„i · x).
worin
ω5 =
Wn =
t =
λ =
V2 =
K2 =
durch die Prüfspule 10 erzeugte Spannung,
Spitzenwert der Grundweilenkomponente von K1,
2 ix /",= Winkelgeschwindigkeit,
2 π in= Winkelgeschwindigkeit,
Zeit,
Phasenwinkel,
durch die Prüfspule 11 erzeugte Spannung, deren Harmonische mit der von V\ phasengleich
ist und
durch die Spule 11 erzeugte Spannung, die Harmonische-Komponenten entgegengesetzter
Phase (phasenverschoben nach π) zu der von V,
enthält,
darstellen.
Zur Ableitung des Fühlersignals kann man unter den obigen Gleichungen entweder die Kombination von (2)
und (3) oder (2) und (4) auswählen. Nimmt man erstens an, daß die in den Spulen 10 und 11 erzeugten
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 so
geschaltet, daß die Grundwellenspannungen K, sin o) ,/ einander aufheben können, so ist ihre zusammengesetzte
Spannung gleich Null, denn
In =
- s) X11
fit = Frequenz der höheren Harmonischen.
Λ = Netzfreqienz,
NK = 7-ahl der Läufernuten,
s = Schlupf des Läufers und
ρ = Polzahl der Hauptwicklung
bedeutet.
Da zwei Prüfspulen 10 und 11 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 Grundwellenkomponenten der in
diesen Spulen 10 und 11 induzierten Spannungen gleichphasig und haben dieselbe Fom. Trotzdem die
durch Gleichung (1) bestimmten, durch die Frequenz erzeugten Harmonischen dieselbe Wellenform haben.
In der Hauptsache wird diese Schaltung beim R-Motor benutzt. Wenn infolge von Abnutzung oder
Verschleiß des Lagers 20 die exzentrische Umdrehung oder Drehschwingung der umlaufenden Welle oder
ähnliches auftritt, während der R-Motor läuft, so muß Gleichung (2) wie folgt umgeformt werden:
Vx = l^sin··.,' + Wn + rsin(i.j/ + /J)I sin (<-„t + \).
(6)
ίο wobei
ίο wobei
υ = Spitzenwert der durch die exzentrische Drehung
erzeugten Spannung,
ω ~ Winkelgeschwindigkeit der exzentrischen Um-''S
drehung und
β = Phasenwinkel
darstellen.
Zusätzlich kann der mathematische Ausdruck (3) durch den folgenden ersetzt werden:
V1 = V\ sin ci,f -I ! V11 - ν sin (of + //)! sin (fi„i +
<\).
In den Ausdrücken (6) und (7) wird das Vorzeichen
(+oder—) vor dem Glied υ sin (ü)t + ß) 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 6 im Luftspalt vor
der anderen Prüfspule (11 oder 10) führt, wodurch die Phasendifferenz zwischen den Spannungen ν den
Betrag π rad. annimmt.
Ersetzt man V\ und V2 durch die Gleichungen (6) und
(7), so lautet die Gleichung (5) dann:
V, - V2 = 2rsin(.-f + /i)sin(.-.„f + λ). (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 <5 unterworfen war, so ist
Aus den Gleichungen (8) und (9) folgt:
V1 - V2 = 2 / (Λ) sin(.-f + //) sin(.-.„i + λ).
Prüfspulen die Veränderungen der Exzentrizität ö unter
sämtlichen vorstellbaren Betriebsbedingungen des Pumpenmotors mit hoher Genauigkeit selbst dann
feststellen, wenn Netzspannung und Laststrom des s 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
ίο 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 11 in Serie schaltet, so daß die Grundwellen-Komponenten einan-
is der aufheben können, läßt sich die zusammengesetzte
Spannung wie folgt ausdrücken:
V1 - V2, = K1,!sin(>»„r + \) — sin(ii„t + \ - rr)
= 2K„sin(,.,„f + ·*). (11)
= 2K„sin(,.,„f + ·*). (11)
Diese Kombination wird hauptsächlich für den Α-Motor gewählt. Der letztere unterscheidet sich vom
R-Motor insofern, als der Luftspalt als Ganzes oder as 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:
l·', = l\ sinr..s/ + (V11 4- r„)sin(i-„r + >),
(12)
(K)) 35 wobei
Aus dieser Gleichung (10) geht hervor, daß die in den
Prüfspulen induzierte Spannung eine Funktion von ö 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 ν 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 <5 erreicht hat. F i g. 10 zeigt die Spannungswellenform, 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 Oszilloskop-Aufnähme
der Spannung, die der in F i g. 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 <5 und (V\ - V2) in Form von Meßwerten, die
bei konstanter Netzspannung und konstantem Laststrom erhalten wurden. Fig. 14 zeigl die Werte von
(Vi- V2) im Zusammenhang mit den Schwankungen
der Exzentrizität ό, wobei auch die Netzspannungsschwankung berücksichtigt worden ist und die Ventilöffnungen
als Parameter benutzt wurden. Wie aus der graphischen Darstellung der Fig. 14 und insbesondere
der schraffierten Zone zu ersehen ist, können die
η = Spitzenwert der Erhöhung der Harmonischen-Spannung,
die durch die gleichförmige Verkleinerung γ des axialen Luftspaltes erzeugt wird.
Weiterhin läßt sich die Gleichung (4) in die folgende Form bringen:
I2, = l\sin<V 4 (V11 4 r„) sin(.·.„/ 4 \ - 1).
(13)
und deshalb ist
und deshalb ist
K1 - I2, = 2(1 „ 4 r„)sin(-.„/ 4 %). (14)
Aus diesem Ausdruck (14) geht hervor, daß (V, - V2)
bei der Abnutzung Null gleich | ^ Vh ist und auf
]/2(Vh+v)
anwächst, wenn die Abnutzung den Betrag γ erreicht. Auf diese Weise läßt sich die Veränderung von γ
feststellen.
Fig. 15 zeigt die Wellenform der Spannung
Fig. 15 zeigt die Wellenform der Spannung
(Vt- V2), durch die Gleichung (U) ausgedrückt, die
unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. Luftspalt (.0 1,2 mm und nicht abgenutztes Druckgleitelement 22
odery — 0, des Α-Motors gemessen wurde.
Fig. 16 zeigt die tatsächlich gemessene Wellenform
Fig. 16 zeigt die tatsächlich gemessene Wellenform
der Spannung (Vt - V2-), durch die vn enthaltende
Gleichung (14) ausgedrückt, wenn die Abnutzung γ des
<-s Druckgleitelements 21 den Betrag von OJS mm erreicht
und der Luftspalt sich auf 0,4 mm verkleinert hatte.
Fig. 17 zeigt die Resultate von Messungen von
Fig. 17 zeigt die Resultate von Messungen von
(Vt - Vr) und γ bei konstanter Netzspannung und
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 Vn 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 sechs Polen anwenden läßt. In diesem Falle nimmt aber die
Anzahl der möglichen Kombinationen von Positionen der beiden Prüfspulen zueinander und der Prüfspulen
gegenüber den Läufernuten entsprechend zu, so daß eine Auswahl geeigneter Kombinationen erforderlich
ist. Nachstehend soll als Beispiel ein Motor 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 Vi und V2 wie folgt
ausdrücken:
K1 = Kssin«.>si + \V„ + vH + i'sin((.)i + /J1)I sin (,;„t + λ,),
V1 = K5 sin <..vi + W11 + v„ + i'sin(f<f + /Z2)I sin (">„r + *2),
(15)
(16)
(16)
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, «i und Ot2 stellen Phasenwinkel dar, die durch
die Prüfspulen und die Positonen der Läufernuten gegenüber diesen Spulen bestimmt sind. Der Wert
(oi\— Oi2) kann durch die Anzahl der Läufernuten
bestimmt werden, und im Falle eines Motors mit π 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 (JJi — /J2) die vier verschiedenen Werte 0, y , π und
-^annehmen. Da die Phasenwinkeldifferenz (oc\— Oi2)
zv/ischen den benachbarten Läufernuten gleich 2π ist, kann (oi\ —x2) unabhängig von der Zahl der Läufernuten
für einen Motor mit η Polen η verschiedene Werte annehmen. Demgemäß kann im Falle des vierpoligen
Motors (oi\— 1x2) die vier verschiedenen Werte 0, y, π
und il annehmen. Folglich sind beim vierpoligen
Motor 4 · 4 = 16 verschiedene Kombinationen von (tx\— Oi2) und (ß\—ß2) theoretisch denkbar, wovon
jedoch aus technischen Gründen fünf Kombinationen wegfallen, so daß die verbleibende Anzahl praktisch
möglicher Kombinationen 11 ist. Die Prüfspannung (V\ — V2) wird ermittelt, indem man Gleichung (16) von
Gleichung (15) subtrahiert und dann den folgenden Ausdruck erhält:
V1-V1= Wn + v„ + rsin(.../ + ft)} sin (...„/ + ,»,)
- W11 + V11 + ν sin(...i + Ji2)) sin(<·/„! + i2).
- W11 + V11 + ν sin(...i + Ji2)) sin(<·/„! + i2).
(17)
Die Resultate von Berechnungen für die elf
verschiedenen Kombinationen auf der Basis der obigen Gleichung (17) sind in der folgenden Tabelle 1
zusammengefaßt, wobei die Symbole »x« bedeuten, daß entsprechende Kombinationen unmöglich sind.
l/2i)sin (int + ßt + ~j χ sin((.-„i + *,) 2{VH + vH)2 + υ2 + 2 | 2(KH + vH)vsm(
max: \'2υ
min: 0
min: 0
χ sin((fiHr + a, + θ)
max: Yi(Vn + vH) + ν
min: fi(V„ + v„)-v
max: Yi(Vn + vH) + ν
min: fi(V„ + v„)-v
2vsm{mt + Ji1) x sin(f.iHt + «,)
max: 2v
min: 0
max: 2v
min: 0
'/2usin (int + A - χ) x sin(mHi + «,)
max: I Iv
min: 0
min: 0
]/ny« + ν«?
χ sin(r.iHi+ «j + θ)
max: [2(Vn + v„) + ν
min: \2(V„ + v„)- υ
max: [2(Vn + v„) + ν
min: \2(V„ + v„)- υ
+ v 2 + 2 l5(FH + v„)vsin
in(vt + ft + -^-
Fortsetzung
„ + p„) + |2rsin
max: 2(V1, + ,<„)+ \2v
min: 2(K,,+ i>„) — \2v
max: 2(K,, + vH)
min: 2(K„ + v„)
min: 2(K„ + v„)
{2(VH + ν,,)+ 12,.sin (mf + ft + ~
χ sin(i'iHf + λ,)
max: 2(K,, + <■„) + I 2i< min: 2(K„ + i'W) — I 2r
max: 2(K,, + <■„) + I 2i< min: 2(K„ + i'W) — I 2r
χ sin(c<„i + *! + (9)
max: l'2(KH + ι·Η) + ι·
min: I 2(K„ + o„) - i<
max: l'2(KH + ι·Η) + ι·
min: I 2(K„ + o„) - i<
\i2(VH + vH)2 + v2 + 2 12(V11 + t>H)t.sin(...f + ,I1 +
χ sin(ii)Hf +Oi1 + Θ)
max: I 2(K„ + v„) + ν
min: 1 2(K,, + vH) - ν
max: I 2(K„ + v„) + ν
min: 1 2(K,, + vH) - ν
Zusätzlich zu den fünf technisch nicht möglichen Kombinationen, wie sie durch die Symbole »x«
bezeichnet sind, macht die Kombination von
(/'Ι - It2 = 0)
den Wert 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 (\, — \, = 0)
m - A2 = \ oder -2--
(th - ßz = y oder -^j .
hergeleitet werden können, wenn man anhand von (V\ - 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 vs\n((ot+ß) in jeder Prüfspule induziert, die sich der
Grundwellen-Komponente überlagert. Die Abnutzung γ und der Wert ν stehen, wie bereits erwähnt, in direkter
Beziehung zueinander. Weil der Wert von vH 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 (K1 - I',) ebenfalls
denselben Wert an für vier verschiedene Kombinationen von
f rt - Ar = -y
oder
Kurz gesagt wird man erkennen, daß im Falle des vierpoligen Motors fünf verschiedene Prüfausgänge
Unter diesen drei Kombinationen ist der Prüfausgang für die beiden Kombinationen, in denen
(K1 — K2) ist dasselbe für zwei verschiedene Kombina- und
tionen von ■A-A = y
ist, der gleiche. Vergleicht man den Prüfgang für diese
zwei Kombinationen mit dem Ausgang, der bei der Kombination verfügbar ist, in der
ist, so stellt man fest, daß der letztere größer ist als der
erstere, und zwar um einen Faktor \/2. Daraus wird der
Schluß gezogen, daß die Kombination von
(ß\-ß2-a)
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 ist im Falle des R-Motors mit η Polen
die Feststellung einer exzentrischen Drehung am wichtigsten, wofür die Kombination von
(λ,-«2 = 0)
am besten geeignet ist und die Läufernutenzahl ebenfalls eine gerade Zahl sein muß.
Als nächstes soll der Α-Motor untersucht werden:
Als nächstes soll der Α-Motor untersucht werden:
(a) Falls nur ti« induziert wird und ν Null ist:
Dies ist der Fall, wenn nur der Verschleiß des Druckgleitelements erfolgt und der Magnetluftspalt
gleichförmig verkleinert wird. Aus Tabelle 1 ist zu ersehen, daß der stärkste Prüfausgang von Vh bei ν
gleich Null aus den drei Kombinationen von
/'2
.τ und
V)
erhalten werden kann. Die Anzahl der .äufemuten, die
diese Kombinationen möglich macht, laß. sich mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnen:
HS)
wobei
Nr die Anzahl der Läufernuten (eine ganze Zahl)
darstellt,
η der Quotient aus Abstand zwischen zwei Spuljn,
η der Quotient aus Abstand zwischen zwei Spuljn,
dividiert durch den Polabstand, ist und
m eine ganze Zahl bedeutet, die größer als 1 ist und so gewählt wird daß auch Nr eine ganze Zahl ist.
m eine ganze Zahl bedeutet, die größer als 1 ist und so gewählt wird daß auch Nr eine ganze Zahl ist.
Nimmt man an,daß
ist und
«i -&2 = π
ß\ — βι = π.
so ist beim vierpoligen Α-Motor η = 2 und damit
Die Prüfspulen lassen sich genauso anordnen wie bei
der zweipoligen Maschine; die Anzahl der l.äufcrnuten
ist eine ungerade Zahl
(b) Falls sowohl t/«als auch t>
erzeugt werden:
Müssen vh und υ getrennt festgestellt werden, so wird
dazu im Falle von vjydie Kombination von
_s
_s
und
(P,-ft-»;
benutzt und im Falle von υ die Kombination von
ιυ (α,-Λ2 = 0)
und
Soll das zusammengesetzte Signal von vn und ν
is abgenommen werden, so kann entweder die Kombination
von
und
benutzt werden oder die Kombination von
und
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.
Fi 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 aufgetragen und der Prüfausgang als Ordinate. Das Symbol » «
stellt den normalen Betriebszustand des Motors dar, das Symbol »x « eine Störung in der R-Phasenleitung, das
Symbol »ι i« die Störung in derS-Phase und das Symbol
» Δ « die Störung in der T-Phase dar. Aus dem Schaubild Fig. 19 geht hervor, daß die erfindungsgemäße
Anordnung in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit das Auftreten sämtlicher Phasenstörungen beim Betrieb des
Dreiphasen-Asynchron motors festzustellen.
Somit kann die erfindungsgemäße Anordnung sowoh bei Kurzschluß als auch bei Erdschluß durch Ansteiger
der Ausgangsspannunp der Prüfspulen eine Warnung auslösen.
Die Vorteile dieser [irfindunp sind die folgenden.
a) Die elektrische Maschine, die die erfindungsgemäße Anordnung enthält, kann nach der Montage und
vor der Auslieferung auf einwandfreie Beschaffenheit in mechanischer und elektrischer Hinsicht
geprüft werden.
b) 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.
c) 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.
d) Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft
in einem Motor benutzt werden, der ein eingeschränktes, schmales Wellenspiel hat, wie etwa ein
Motor in explosionsgeschützer Ausführung,
e) Da die erfindungsgemäGe Anordnung nicht nur die mechanischen Störungen in einer elektrischen Maschine, die in Betrieb ist, feststellen kann, sondern auch einige elektrische, anomale Bedingungen in den Motorwicklungen und im Netz, kann man mit voller Berechtigung sagen, daß die ίο beschriebene Anordnung die vielfältigsten Anwendungsbereiche findet und eine größere Brauchbarkeit auf den entsprechenden Gebieten der Technik zeigt.
e) Da die erfindungsgemäGe Anordnung nicht nur die mechanischen Störungen in einer elektrischen Maschine, die in Betrieb ist, feststellen kann, sondern auch einige elektrische, anomale Bedingungen in den Motorwicklungen und im Netz, kann man mit voller Berechtigung sagen, daß die ίο 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 S Bkilt Zeichnungen
Claims (1)
1. 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 (Nr) von Rotornuten (16) die Anzahl (Nr)UCT Rotornuten (16)
so bemessen ist, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP47101731A JPS5854580B2 (ja) | 1972-10-11 | 1972-10-11 | カイテンデンキウンテンカンシソウチ |
JP1788273U JPS5628842Y2 (de) | 1973-02-09 | 1973-02-09 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2351453A1 DE2351453A1 (de) | 1974-04-25 |
DE2351453B2 DE2351453B2 (de) | 1977-09-29 |
DE2351453C3 true DE2351453C3 (de) | 1978-06-01 |
Family
ID=26354468
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19732351453 Expired DE2351453C3 (de) | 1972-10-11 | 1973-10-11 | Anordnung zum Feststellen der Exzentrizität von Rotoren in umlaufenden elektrischen Maschinen |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
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FR (1) | FR2203204B1 (de) |
GB (1) | GB1462760A (de) |
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EP1455436A1 (de) * | 2003-03-05 | 2004-09-08 | Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) | Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Signalen zur Erfassung der Exzentrizität in einer Synchronmaschine |
DE102010002296A1 (de) | 2010-02-24 | 2011-08-25 | Siemens Aktiengesellschaft, 80333 | Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen und zugehöriger Prüfstand |
CN105181325B (zh) * | 2015-10-26 | 2019-01-22 | 东方电气集团东方电机有限公司 | 一种电机的转子机械模型装置 |
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US3373300A (en) * | 1966-02-04 | 1968-03-12 | Francis P. Sullivan | Electric bearing failure indicator |
-
1973
- 1973-10-10 IT IT2996773A patent/IT995750B/it active
- 1973-10-10 GB GB4732873A patent/GB1462760A/en not_active Expired
- 1973-10-11 DE DE19732351453 patent/DE2351453C3/de not_active Expired
- 1973-10-11 FR FR7336368A patent/FR2203204B1/fr not_active Expired
Also Published As
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GB1462760A (en) | 1977-01-26 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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