DE2421555C2

DE2421555C2 - Rotor einer Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen

Info

Publication number: DE2421555C2
Application number: DE2421555A
Authority: DE
Inventors: Muzaffer Dipl.-Ing. Dr. Birr Aargau Canay
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-04-01
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1985-08-14
Also published as: GB1449803A; NO751033L; NO140952C; FR2266353A1; DE2421555A1; CH570729A5; IT1034640B; SE403225B; US4028574A; FR2266353B1; SE7503455L; DE7415588U; NO140952B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Synchronmaschine mit ausgeprägte^ Polen mit Mitteln zur Dämpfung des Querfeldes und nimmt damit auf einen Stand der Technik Bezug, wie er beispielsweise in dem Buch »Konstruktion elektrischer Maschinen« Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York 1967, S. 325, insbesondere Abb. 274, beschrieben ist

Synchronmotoren mit massiven Polen sind bekannt. Diese Motoren sind hinsichtlich ihrer Eigenschaft, die während des Hochlaufs erzeugte Rotorwärme aufzunehmen, vorteilhaft Sie können große Energiemengen während des Anlaufs auf der ganzen Rotoroberfläche als Wärme aufnehmen. Außerdem erzeugen sie infolge der kleinen Leitfähigkeit des Poleisens ein großes Anzugsmoment.

Hingegen ist das Asynchronmoment in der Nähe der Synchrondrehzahl manchmal nicht ausreichend. Aus diesem Grund ist die Verwendung dieser Motoren für manche Betriebsfälle, wie beispielsweise für Wiedersynchronisierung bei Last im Anschluß an eine Spannungsunterbrechung, unmöglich.

Bei asynchron hochlaufenden Synchronmotoren wird ferner nicht nur ein Asynchronmoment, sondern auch noch ein unerwünschtes Pendelmoment von beträchtlicher Amplitude erzeugt, wodurch das gesamte Drehmoment um den Wert des Asynchronmoments mit der doppelten Schlupffrequenz pulsiert (siehe: »Anlaufverfahren bei Synchronmaschinen«, »Brown, Böveri Mitteilungen«, Band 54, ;;1967, Nr. 9, Seiten 618—619). !Dieses hauptsächlich Von der elektrischen Anisotropie des Rotors hervorgerufene Pendelmoment bedeutet für die Motorwelle, die Kupplungen und die anderen an diese angeschlossenen Wellen eine zusätzliche Beanspruchung, welche unter Umständen gefährlich werden kann.

Bei der Konstruktion der massiven Pole ohne Polver

bindungen muß ferner der Effekt der »Klauenverbrennungen« berücksichtigt werden. Die durch das sich zeitlich ändernde Querfeld an der Poloberfläche induzierten Ströme fließen entlang des Pfades des kleinsten Widerstandes, häufig von einem Pol zum andern, über die Klauen, und verursachen »Klauenverbrennungen«, (s. Aufsatz »Anlauf und Laufruhe schneilaufender Pumpengruppen« von K. Abegg, Bulletin SEV 56, li-55,10, 15. Mai).
Die Nachteile der massiven Pole sind also:

a. ungünstiger Drehmomentverlauf in der Nähe der

Synchrondrehzahl,
I. großes Pendelmoment,
c Gefahr der Klauenverbrennungen.

Diese Nachteile konnten bis jetzt wenn nöti-s durch Anbringen von beidseitigen Dämpferringen oder durch Polverbindungen teilweise beseitigt werden. Jedoch ist das Anbringen der Dämpferrir.ge mit verschiedener, konstruktiven und betrieblichen Schwierigkeiten verbunden:

a. Wärmedehnungen, die eine elastische Verbindung von Pol zu Pol bedingen,

b. Verschlechterung- der Kühlverhältnisse durch teilweises Abdecken der Pollücken.

c. Schwierigkeiten bei der Demontage der Pole.

Ausgehend vom bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der bei kleinen Schlupfwerten ein gutes Asynchronmoment und kleinere Pendelmomente aufweist und ohne stirnseitige Dämpferringe oder Verbindungen von Pol zu Pol auskommt

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im neuen Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

Durch die erfindungsgemäße Anorinung von Leiterstäben werden nun nicht nur die mit der Anbringung von Dämpferringen und Polverbindungen einhergehenden konstruktiven und betrieblichen Schwierigkeiten beseitigt, es gibt darüber hinaus auch eine generelle Verbesserung des Asynchronmomentes bei kleinen Schlupfwerten, ohne die positiven Eigenschaften der massiven Pole bei großen Schlupfwerten zu beeinträchtigen, ein Ergebnis, das nicht ohne weiteres vorhersehbar war.

Zwar ist das Anbringen von in Pollängsrichtung verlaufenden Leiterstäben bei lameHierten Polen aus der

so FR-PS 7 04 312 bekannt Doch dürfen diese Leiterstäbe nicht ohne ihr Zusammenwirken mit den restlichen Teilen der auf dem Pol angeordneten Anlaufwicklung gesehen werden. Dort bilden die in den Polschuhen eingebetteten Kurzschlußstäbe 8, die Polendplatten 9 und eben diese Verbindungsstäbe 12 die Anlaufwicklung. Eine Übertragung dieser Maßnahme auf massive Pole ist schon im Hinblick auf die vollkommen anders gearteten Verhältnisse bei beiden Maschinengattungen nicht möglich und wird auch nicht durch den Stand der Technik angeregt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Schutz- und Anlaufwicklung, die hauptsächlich in der Querachse wirkt, jedoch keine Verbindung von Pol zu Pol benötigt. Diese »Querwicklung« bietet für die an der Pofoberfläehe während des Anlaufs induzierten Ströme einen besseren Weg, um sich um das Querfeld herum zu schließen, so daß diese nicht mehr von Pol zu Pol über die Klauen fließen müssen. Sie bildet zudem einen paralle-

len Kreis zur massiyen Poloberfläche und verbessert dadurch den Verlauf des Asynchronmomentes bei kleinen Schlupfwerten und verkleinert das Pendelmoment, ohne daß sie die positiven Eigenschaften der massiven Pole bei großen Schlupfwerten beeinträchtigt

Nachstehend werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht eines herkömmlichen massiven Pols mit Polschuh, Polkern, Klauen und den Feldlinien des Querfeldes,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Rotors mit vier massiven Polen nach F i g. 1, wobei die möglichen Pfade a und b der Ströme dargestellt sind,

F i g. 3 eine Vorderansicht eines massiven Pols, unter dessen Polschuhkanten Leiterstäbe rechteckigen Querschnitts nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind,

F i g. 4 eine der Ansicht der F i g. 3 ähnliche Ansicht eines massiven Pols mit Leiterstäben L-förmigen Querschnittes nach einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,

F i g. 5,6,7 Anordnungen der Leiterstäbe air den Seitenflächen des Polkerns nach einer dritten, vierten und fünften Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 8 eine der Ausführungsform nach F i g. 3 ähnliche Ausführungsform, wobei der Polschuh in seiner Mitte einen axial verlaufenden zusätzlichen, gut leitenden Stab rechteckigen Querschnitts aufweist

F i g. 9 eine der Ausführungsform nach F i g. 8 ähnliehe Ausführungsform, bei welcher der zusätzliche, gut leitende Stab einen kreisförmigen Querschnitt aufweist

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Schaltanordnung für den Anlauf eines gewöhnlichen Synchronmotors,

F i g. 11 den Verlauf des Asynchronmomentes m_a und des Pendelmomentes m_p bei einem gewöhnlichen Synchronmotor mit massiven Polen ohne Querwicklung während seines mittels der Schaltanordnung nach F i g. 10 durcngef ührten Anlaufs,

Fig. 12 eine Schaltanordnung für den Anlauf eines Synchronmotors mit massiven Polen, der die erfindungsgemäße Querwicklung aufweist und

F i g. 13 den Verlauf des Asynchronmomentes m_a und des Pendelmomentes m_p bei einem Synchronmotor mit massiven Polen, der die erfindungsgemäße Querwicklung nach einer der Ausführungsformen nach den F i g. 8 und 9 aufweist während seines mittels der Schaltanordnung nach Fig. 12 durchgeführten Anlaufs.

Die F i g. 1 zeigt den Pol 1 mit dem Polschuh 2, dem Polkern 3, den Polklauen 4 und den Feldlinien 7 des Querfeldes Φ_η (anregendes Feld ohne Rotorrückwirkung). Wie ersichtlich verbleibt der größte Teil des Feldes im Polschuh 2. Ändert sich das Querfeld Φ_ς zeitlich, so werden an der Polschuhoberfläche 5 Ströme induziert, die sich um das Feld herum schließen. Diese Ströme folgen dem Weg des kleinsten V/iderstands und können einen der Pfade a oder b einschlagen, die zum Teil in Fig. 1, jedoch in Fig. 2 besser ersichtlich sind. In den Figuren bezeichnet das Symbol 8 eine Stromrichtung, die aus der Bildebene herauskommt, und das Symbol 9 eine Stromrichtung, die in die Bildebene hineingeht

Wenn der Pfad a derjenige des kleineren Widerstandes ist strömt der Strom bei 8 aus dem Polschuh 2 heraus und fließt an der vorderen Stirnfläche des Pol- Q5 schuhs 2 zur Polschuhkante 6. Bei 9 fließt der Strom axial unter der Polschuhkante 6 zur hinteren Stirnfläche des Polschuhs 2 und dann an der hinteren Stirnfläche des Polschuhs 2 zur Polschuhoberfläche 5 und letztlich axial entlang der Polschuhoberfläche 5 nach vorn zurück zu 8. Damit ist der Kreis geschlossen.

V/enn hingegen der Pfad b derjenige des kleineren Widerstandes ist, strömt der Strom bei 8 aus dem Polschuh 2 heraus und fließt an der vorderen Stirnfläche des Pols 1 in Richtung der Klaue 4. Von hier fließt der Strom zur Klaue 4 des benachbarten Pols Iß und an dessen vorderer Stirnfläche zur Polschuhoberfläche 5. Bei SB fließt der Strom axial entlang der Polschuhcberfläche S zur hinteren Stirnfläche des Pols 15, dann an dieser zur Klaue 4 desselben Pols, von hier hinüber zur Klaue 4 des Pols 1, dann an der hinteren Stirnfläche des Pols 1 zu dessen Polschuhoberfläche 5 und letztlich axial entlang dieser Polschuhoberfläche nach vorn zurück zu 8. Damit ist dieser Kreis geschlossen.

Wenn der Strom den Pfad b einschiägt d. h. wenn der Pfad b über die Polkerne 3 und die Klauen 4 viel weniger Widerstand hat als der Pfad 2, kann ein großer Strom von einem Pol 1 zum ander Pol \B über die Kiauen fließen und dort Verbrennungen verursachen.

Die F i g. 3 bis 9 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, die die genannten Verbrennungen dadurch vermeiden, daß mittels einer Querwicklung der Pfad a zum Pfad de' kleineren Widerstandes gemacht wird.

Bei der in der Fig.3 dargestellten Anordnung besteht die Querwicklung aus zwei gut leitenden Stäben 10, von denen jeder unter einer PoLschuhkante G in Längsrichtung des Pols 1 verläuft und mit dem Polschuh 2 elektrisch verbunden ist Die an der Poloberfläche 5 induzierten Querfeld-Ströme werden über die genannten Stäbe 10, die beispielsweise über die Abschnitte 11 mit den Stirnflächen des Polschuhs 2 durch Schweißen, Hartlöten oder Preßkontakt mechanisch und elektrisch verbunden sein können, unter den Poischuhkanten 6 in Axialrichtung der Maschine zurückgeleitet, so daß die Ströme um das Querfeld herum fließen können. Die Stäbe 10 sitzen unter den Polschuhkanten 6 ohne isolation direkt am Eisen des Polschuhs 2. Die Ströme schlagen also den Weg a ein, da infolge der Anwesenheit des gut jeitenden Stabes 10 dieser der Weg niedrigeren Widerstandes ist Die Stäbe 10 ersetzen die Polverbindungen bzw. die Dämpferringe und schützen cfis Klauen. Bei dieser Ausführungsform besteht dsr Dämpferkreis der Querachse q—q (F ig. 1) eigentlich aus zwei in Serie geschalteten Teilen, nämlich der Poloberfläche 5 als erstem Leiter aus Eisen und der Rückführung über die unter den Polschuhkanten 6 angeordneten gut leitenden Stäbe 10 als zweitem Leiter. Die Anlaufenergie in der Querachse q—q wird also wiederum an der Poloberfläche 5 in dem großen Wirbelstromwiderstand des Eisers in Wärme umgesetzt. Ai^-S diesem Grund sind die An-Ia'ifei_o.jr.schaften einer Synchronmaschine mit dieser Anordnung denjenigen einer Synchronmaschine mit Dämpferringen praktisch gleich. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist jedoch, daß die für die Lüftung nachteiligen Ringe wegfallen und die Pole bei Demontagen eimeln herausgezogen und gewechselt werden können. Deshalb können die Stäbe 10 bei dieser Ausführungsform über die Abschnitte 11 an der Stirnseite der Polschuhe 2 befestigt werden, beispielsweise durch Hartlötung, ohne daß dadurch die feinzeldemontage der Pole beeinträchtigt wäre.

Die in den F i g. 4, 5, 6, 7 dargestellten Ausführungsformen entsprechen im wesentlichen der Ausführungsform nach F i g. 3; dabei sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet Bei der Ausführungsform nach Fig.4 sind die Stäbe 1OL von L-förmigem

Querschnitt und unterhalb der Polschuhkanten 6 angeordnet, wogegen bei den Ausführungsformen nach den F i g. 5, 6 und 7 die Stäbe 10 rechteckigen Querschnitts und an den Seitenflächen des Polkerns 3 in direktem Kontakt mit diesem angeordnet sind.

Bei den in den Fig.8 und 9 dargestellten Ausführungsformen ist der Polschuh 2 mit einer in seiner Mitte in Axialrichtung verlaufenden tiefen Nut 12 mit rechtekkigem bzw. kreisförmigem Querschnitt ausgestattet. Gegebenenfalls können mehrere solcher parallel zueinander angeordnete Nuten vorgesehen sein. Ein oder mehrere gut leitende Stäbe 13 sind in der Nut 12 angeordnet und mit unter den Polschuhkanten 6 angeordneten flachen Stäben 10 elektrisch verbunden. Somit bilden die flachen Stäbe 10 einerseits untereinander eine Wicklung in der Längsachse, wie dies bei Synchronmaschinen mit unter den Polschuhen angeordnneten Gleitrahmen der Faii ist, und andererseits mit den Stäben Ϊ3 in der Polmitte eine Wicklung in der Querachse. Die Stäbe 13 sollen in der Polmitte unterhalb der Poloberfläche 5 liegen. Dadurch wird erreicht, daß die massiven Pole vom Stillstand bis 80—90% Nenndrehzahl ihre günstigen Eigenschaften fast unvermindert beibehalten. Bei höheren Drehzahlen treten die Wicklungen 10, 13 mit dem Eindringen des resultierenden Wechselfeldes in Aktion und vergrößern das Asynchronmoment in beträchtlichem Maß.

Die erfindungsgemäße Querwicklung bewirkt eine elektrische Symme'rierung der beiden Achsen d-d und q-q. Aus diesem Grund wird durch diese auch eine Herabsetzung des Pendelmomentes erreicht

Die Fig. 10 zeigt eine Schaltanordnung, die für den Anlauf eines gewöhnlichen Synchronmotors 14 mit massiven Polen ohne Dämpferringe und ohne Querwicklung angenommen wurde. Aufgrund dieser Schaltanordniinn uiiir/ΐαη ΑΙλ Inüin 11 /larnaDinIl^n ΠηιΙιηιηΜΔηΐΔ

"**"Ö "T"¹*""¹""¹ "■ ■ ¹O" " " *■■«·■ g»*O»*»m%.H LTIVIIIIIVIIIVIIIV berechnet. Der Motor 14 ist an ein Netz 15 mit einer Netzreaktanz X und einer Netzspannung U angeschlossen. Die Netzreaktanz X beträgt 2% der Nennimpedanz Zm des Motors, d. h.

Die in Fig. 12 gezeigte Schaltanordnung wurde für den Anlauf eines Synchronmotors 14/4 nlit massiven Polen ohne Dämpferringe, jedoch mit der erfindungsgemäßen Querwicklung gemäß der Ausführungsform nach Fig.8 oder 9 angenommen. Aufgrund dieser Schaltanordnung wurden die in Fig. 13 dargestellten Drehmomente berechnet. Auch in diesem Fall ist der Motor 14/4 an ein Netz 15 mit einer Netzreaktanz X und einer Netzspannung U angeschlossen, wobei die Werte von Xund i/den im Zusammenhang mit Fi g. 10 erwähnten Werten gleich sind. Die Berechnung der Drehmomente wurde für den Fall 1 durchgeführt, wobei Art = 9 /y.

Die F i g. 11 und 13 zeigen deutlich, daß beim gewöhnliehen Synchronmotor das Asynchronmoment bei ansteigender Drehzahl fällt, wogegen dieses beim erfindungsgemäß ausgebildeten Synchronmotor bei ansteigender Drehzahl aiimähiich ansteigt. Dazu beträgt das Pendelmoment beim erfindungsgemäßen Motor nur et-,wa die Hälfte des beim gewöhnlichen Synchronmotor auftretenden Pendelmoments. Bei gleichen Anlaufbedingungen können also mit der Anordnung nach F i g. 8 oder 9 beträchtliche Verbesserungen der Anlaufeigenschaften des Synchronmotors erzielt werden. Für die Anordnung nach den F i g. 3 bis 7 wurden keine besonderen Berechnungen durchgeführt. Jedoch leuchtet es ein, daß 4)1 Vergleich mit dem gewöhnlichen Synchronmotor auch diese Ausführungsformen bedeutende Vorteile ergeben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

X =

100

und die Netzspannung U beträgt 100% der Nennspannung des Motors, d. h. U= Um- Im Feldkreis 16 ist der Feldwiderstand durch η und der Anlaufwiderstand durch Art bezeichnet Die Berechnung der Drehmomente wurde für zwei Fälle durchgeführt und zwar:

Fall 1:^/·/= 9/7, und

Fall 2: Art = 0 (Feldkreis kurzgeschlossen).

Die entsprechenden Drehmomentkurven sind in der F i g. 11 dargestellt Hier (v/ie auch in F i g. 13) bedeuten:

mi+nip
m_a—m_p

Asynchronmoment
Pendelmoment

Asynchronmoment+Pendelmoment
Asynchronmoment—Pendelmoment

Die vollausgezogenen Kurven beziehen sich auf den Fall 1, bei welchem der Anlaufwiderstand Art im Feldkreis 16 den 9fachen Wert des Feldwidersiandes /y beträgt, d. h. Art = 9 /y.

Die gestrichelten Drehmoment-Kurven hingegen beziehen sich auf den Fall 2, wobei der Feldkreis 16 kurzgeschlossen ist, d. KArt = 0.

Claims

Patentansprüche:

1. Rotor einer Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen und Mitteln zur Dämpfung des Querfelds, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an beiden Seiten jedes Poles unterhalb des Polschuhs (2) ein in Axialrichtung des Rotors verlaufender, mit dem Pol elektrisch verbundener Leiterstab (13) vorgesehen ist, der mit den Stirnflächen des Poles mechanisch und elektrisch verbunden ist

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (10) über Verlängerungen (11) an der Stirnseite der Pole (1) befestigt sind

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Stäbe (10, !ÖL; die Form eines Rechtecks oder eines L aufweisen.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (2) wenigstens eine in Längsrichtung des Poles (I) verlaufende Nut (12) aufweist, daß in jeder Nut (12) wenigstens ein in Längsrichtung des Pols (1) verlaufender zusätzlicher, gut leitender Stab (13) angeordnet ist, der mit den erstgenannten gut leitenden Stäben (10) elektrisch verbunden ist

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (12) und der Stab (13) einen rechtekkigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.