DE2821108C2 - Wasserkraftgenerator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen ¹ Wasserkraftgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Moderne leistungsfähige Wasserkraftgeneratoren haben Gehäusedurchmesser von etwa 20 m und eine Länge des Ständerkerns bis zu 2,5 m. Die gesamte Höhe solcher Wasserkraftgeneratoren erreicht 13 m und die Masse übersteigt oft 15001.

Da ein Wasserkraftgenerator solcher Abmessungen und solchen Gewichts nicht als Ganzes transportiert . werden kann, z. B. mit der Eisenbahn und womöglich auch mit anderen Transportmitteln, werden nicht nur der Wasserkraftgenerator im ganzen, sondern auch seine Baugruppen in zerlegbarer Ausführung hergestellt. Bei der Konstruktion wählt wan die Außenabmessungen und die Maße der einzelnen Baugruppen in ' Abhängigkeit von den Grenzlademaßen der Eisenbahn und der Tragfähigkeit der Transportmittel.

Die Erfindung geht aus von einem Wasserkraftgenerator, der einen Läufer mit ausgeprägten Polen und einen in Form eines Rings ausgeführten und aus einzelnen, miteinander verbundenen Segmenten bestehenden Ständer enthält. Ein solcher Wasserkraftgenerator ist aus dem Buch von Abramow u. a., »Berechnung und Konstruktion von Wasserkraftgeneratoren«, Verlag Vysshaja Shkola, Moskau, 1964, S. 13 bekannt.
' - Bei der bekannten Ausbildung ist der das Gehäuse, den Kern und die in den Kernnuten eingelegte Wicklung umfassende Ständer in Abhängigkeit von den Abmessungen des Wasserkraftgenerators in zwei, vier oder sechs gleiche Umfangswinkel einnehmende Segmente geteilt, die miteinander in radialen Stoßebenen verbunden sind. Zwischen den Stoßflächen sind im Kernbereich zum Ausfüllen der Spalte Zwischenlagen aus einem plattenförmigen Isolierstoff eingesetzt. Dabei richtet sich die Anzahl der Ständersegmente nach den Möglichkeiten des vorgesehenen Transportes.

Im Betrieb des Wasserkraftgenerators wirkt auf die Segmente des Ständerkerns in den Stoßebenen in Tangentialrichtung eine veränderliche elektromagnetische Kraft, deren Frequenz η ■ p/60 (Hz) beträgt, worin η die Läuferdrehzahl in U/min ist. Diese Kraft erzeugt Schwingungen der Ständerkernsegmente, zu deren Herabsetzung die Segmente starr und dicht miteinander verbunden sein müssen. Dies wiederum gelingt jedoch nur unvollkommen, weil der Kernbereich unter der Einwirkung von zyklischen Erwärmungen steht, was zu einer Lockerung der Verbindungen und zu einer Verstärkung der Schwingung der Segmente führt und manchmal Beschädigungen der Befestigungselemente des Kerns am Ständergehäuse des Wasserkraftgenerators hervorrufen kann. Das Nachziehen der Befestigungen ist arbeitsaufwendig und gibt dennoch keine Gewahr für eine dauernde Dicbligken der Ständerstoßstelien. Die nicht vermeidbaren Schwingungen der Ständersegmente setzen die Betriebssicherheit des Wasserkraftgenerators herab.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines

ίο Wasserkraftgenerators, in dem die Schwingungen der Ständersegmente in Tangentialrichtung unterdrückt werden und dadurch die Betriebssicherheit des Wasserkraftgenerators gesteigert ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Wasserkraft-

ii generator der gattungsgemäßen Bauart dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Umfangswinkel jedes Ständersegments einen Wert hat, dessen Produkt mit der Polpaarzahl des Läuffs durch π ganzzahlig teilbar ist. Bei einer solchen Ausbildung liegen die radialen Stoßebenen jedes Segments an solchen Kernabschnitten, wo die magnetische Induktion den gleichen Wert hat und die elektromagnetischen Tangentialkräfte, die in den Stoßebenen jedes Segments wirken und durch den Wert der magnetischen Induktion in diesen Ebenen bestimmt sind, untereinander gleich werden und sich gegenseitig aufheben.

Wenn der Läufer des Wasserkraftgenerators eine solche Anzahl von Polpaaren hat, daß deren Produkt mit einem fü. alle Segmente gleichen Umfangswinkel der Segmente bei vertretbar geringer Anzahl derselben nicht ohne Rest durch η teilbar gemacht werden kann, so weisen zweckmäßigerweise wenigstens zwei Segmente des Ständers verschiedene Umfangswinkel auf.
An sich ist aus der DE-AS Jl 00 791 eine Synchronmaschine mit einem Läufer mit ausgeprägten Polen und einem in Segmente unterteilten Ständer bekannt, bei der das Ständerblechpaket drei radialsymmetrisch angeordnete Teilfugen aufweist und beispielsweise ein achtzehnpoliges Polrad, d.h. eine Polpaarzahl von neun Verwendung findet. Zwar würde eine solche Maschine der vorliegend erfindungswesentlichen Bedingung genügen, was jedoch insofern zufällig wäre, als es in der genannten Quelle um eine ganz andere Problematik geht, nämlich um die Verringerung der Induktion hoher Spannungen in der Welle des Polrades, wobei als Lösung die Ausarbeitung von wie Teilfugen wirkenden Schlitzen im Ständer vorgeschlagen wird. Die Lehre der vorliegenden Erfindung ist mithin nicht berührt.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen weiter erlä ltert Es zeigt

F i g. 1 einen Wasserkraftgenerator im schematischen Teilquerschnitt und

F i g. 2 die schematische Darstellung eines Ständersegments des in F i g. 1 gezeigten Wasserkraftgenerators und die Verteilung der magnetischen Induktion im Kern des Ständersegments.

Der erfindungsgemäße Wasserkraftgenerator enthält einen Ständer 1 (F i g. 1) und einen Läufer 2 mit Polen 3.

Der Ständer 1 stellt einen Ring dar, bestehend aus einzelnen Segmenten 4, auf die je ein Teil des Gehäuses 5 entfällt, einem Kern 6, der mit dem Gehäuse 5 durch Keile 7 verbunden ist, und einer (nicht eingezeichneten) Wicklung, die in Nuten 8 des Kerns 6 eingelegt ist Die Segmente 4 sind zwischeneinander in radialen Stoßebenen mit Hilfe der Verbindungen 10 befestigt Zwischen den Segmenten 4 sind im Bereich des Kerns 6 Zwischenlagen 11 aus einem Elektroisolierstoff einge-

setzt. Der Wen des zwischen den Stoßebenen 9 und 12 (F i g. 2) gebildeten Winkels β jedes Sektors 4 hängt von der Paaranzahl der Pole 3 (Fig. l)des Läufers 2 ab und is! derart gewühlt, dab das Produkt der Paaranzahl ρ der Pole 3 des Läufers 2 mit dem Winkelwert β des Segments 4 durch π teilbar ist, d. h. durch die Beziehung pß = nzi bestimmt wird, wobei η eine ganze Zahl ist.

Die Beseitigung der Schwingung in der Tangentialrichtung der Segmente 4 des Ständers 1 «ies vorgeschlagenen Wasserkraftgeneralors erklärt sich folgendermaßen:

Beim Betrieb des Wasaerkraftgeneraicrs wird der Kern 6 des Ständers 1 von einem Magnetfluß überquert, der durch die Pole 3 des Läufers 2 erzeugt wird. Dabei wird die magneiiscni Induktion im Kern 6 des Ständers ιί 1 nach einer Sinuskurve 13(Fi g. 2) verteilt, die sich über den Ring des Ständers 1 (Fig. 1) schließt. In der Stoßebene 9 (Fig. 2) wirkt auf das Segment 4 in Tangentialrichiungdie Kraft Ti gleich

wobei sind

B — durchschnittliche magnetische Induktion im Rücken des Kerns 6 (Fig. 1) des Ständers I, Gauß;

F - Querschnittsfläche des Rückens des Kerns 6, cm';

ρ - Paaranzahl der Pole 3 des Läufers 2;

ω — Winkelfrequenz der Umdrehung des Läufers 2,

In der benachbarten Stoßebene 12 (Fig.2), die von der Stoßebene 9 um den Winkel β entfernt ist, wirkt auf das Segment 4 eine Kraft T₂ gleich

V5000

ΚωίΛ-β).

τ, =

5000/

Fcos²p<at(kp)

Die Differenz der Projektionen dieser Kräfte T₁, T₂ auf eine Gerade mn, die zur Halbierenden des Winkels^ ^senkrecht sieht, beträgt

T= T₁COS^- T₂

^C0Sf

V ß

-1 Fcos₂ —s'mpß sin {pß + Ίρο,ι).

Da der Winkel wert β durch die Beziehung pß = rm bestimmt ist, wird der in der Gleichung (1) enthaltene Multiplikator sin pß gleich Null, d, h, die Projektionen der veränderlichen elektromagnetischen Kräfte, die auf das Segment 4 in den Stoßebenen 9,12 wirken, erhalten gleiche Werte und gleichen sich gegenseitig aus.

Es ist zu verstehen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Segmente 4 des Ständers 1 (Fig. J) einander gleich, d. h. mit einem gleichen Winkelwert ß, oder ungleich ausgeführt werden können, d. h. zwei und mehr Segmente 4 können verschiedene Winkelwerte β aufweisen. Falls zum Beispiel der Läufer 2 zehn Paar Pole 3 hat, kann der Ständer 1 in vier gleiche Segmente

4 mit den Winkeln ß= — geteilt werden, dann ist pß — \Q—=5n, d. h. durch π teilbar. Es ist aber möglich,

daß der Läufer 2 eine Paaranzahl der Pole 3 hat, bei der der Ausdruck pß/it keine ganze Zahl werden kann, ,wenn alle Segmente 4 einander gleich sind und deren Anzahl nicht groß ist. In diesem Falle sind die Segmente 4 unterschiedlich auszuführen, doch der Winkel β jedes Segments soll einen solchen Wert haben, daß die Beziehung pßln eine ganze Zahl ist Es sei beispielsweise die Paaranzahl ρ der Pole 3 des Läufers 2 gleich 17 und den Transportbedingungen nach ist eine Unterteilung des Ständers 1 in zwei Segmente nicht ausreichend. Bei der Unterteilung des Ständers 1 in drei gleiche Segmente betragen der Winkel /3=2 ä/3, das Produkt pß= 17 χ 2 π/3 und sin pß= -0,87. Die Kraft Γ nach der Gleichung (1) ist in diesem Fall nicht gleich Null und wird eine Schwingung des Kerns 6 hervorrufen. Indem man aber den Ständer 1 in drei ungleiche Segmente 4 teilt, von denen zwei den Winkel

12

βι=—π haben,

ß] = —!t und einer den Winkel

erreicht man, daß sinp/?i=sinp/?2=0 ist, d.h. die Tangentialkräfte in den Stoßebenen jedes Segments 4 des Kerns 6 des Ständers 1 gleichen sich gegenseitig aus und rufen keine Schwingung sogar beim Vorhandensein von Spalten in den Stoßebenen 9 hervor.

Die vorliegende Erfindung gewährleistet eine Schwingungsfreiheit des mehrteiligen Ständers eines Wasserkraftgenera; ->rs ohne Steigerung des Arbeitsaufwandes bzw. der Dauer seiner Projektierung und Herstellung. Es wird die Betriebssicherheit des Wasserkraftgenerators gesteigert, wobei keine Notwendigkeit besteht, die Befestigungselemente der Ständersegmente beim Betrieb nachzuziehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wasserkraftgenerator, der einen Läufer mit ausgeprägten Polen und einen in Form eines Rings ausgeführten und aus einzelnen, miteinander verbundenen Segmenten bestehenden Stander enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkel jedes Segments (4) des Ständers (1) einen Wert aufweist, dessen Produkt mit der Polpaarzahl des Läufers (2) durch π ganzzahlig teilbar ist.

2. Wasserkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Segmente (4) des Ständers (1) verschiedene Umfangswinkel aufweisen.