DE3876706T2

DE3876706T2 - Verfahren zur verminderung der elektromagnetischen schwingungen in elektrischen maschinen und maschinen, die mit hilfe eines solchen verfahrens hergestellt sind.

Info

Publication number: DE3876706T2
Application number: DE19883876706
Authority: DE
Inventors: Albert Foggia; Jean-Francois Maestre; Jean-Claude Sabonnadiere
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1987-07-09
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-07-09
Also published as: EP0299855B1; EP0299855A1; FR2618028A1; FR2618028B1; DE3876706D1

Description

Diese Erfindung betrifft den technischen Bereich von Elektro-, Synchron- oder Gleichstrommaschinen mit einem Stator und einem Rotor; der eine bildet den mit Gleichstrom gespeisten Induktor und der andere den Anker der Maschine oder umgekehrt.
Im allgemeinen besitzen die Rotoren dieser Maschinen an ihrer Peripherie in gleichmässigen Abständen und abwechselnd mit Zähnen angeordnete Kerben zur Aufnahme von Leitern.
Der Durchlauf der Rotorzähne unter den Polen des Stators äussert sich in einer Schwankung des Magnetflusses an jedem Statorpol. Dies führt zu Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs, die sich auf die Tragstruktur dieser Maschinen und ihre Bestandteile, und insbesondere auf ihren Rotor, übertragen.
Durch die Übertragung dieser Vibrationen können die Tragstruktur und/oder die zugeordneten Bauteile leicht entdeckt werden, was bei bestimmten, spezifischen Anwendungen dieser Maschinen von grossem Nachteil ist.
Ausserdem erzeugen die Vibrationen unvermeidliche, mechanische Beanspruchungen der Bauteile, wie z.B. Ermüdungserscheinungen.
Es gibt Vorrichtungen, die bestimmten Typen von Elektromaschinen angepasst sind, bei denen die Kerben und/oder die Zähne nicht in gleichmässigen Abständen angeordnet sind. Die Patente JPA 6142256, JP 58116031, FR 849041, US 1581828 beschreiben die Verwendung solcher Mittel für die jeweilige Reduzierung von Momentoberwellen, Kerbenoberwellen, Induktionsoberwellen und der Ankerreaktion. Keines dieser Patente gibt jedoch einen Hinweis auf die Verwendung derartiger Mittel zur Abschwächung von Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs bei Elektromaschinen mit einem Rotor und einem Stator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile aufzuheben, indem sie Mittel zur Abschwächung von Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs in Elektromaschinen anbietet.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Abschwächung der Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist die erfindungsgemässe Elektromaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs durch die pseudozufällige Verteilung der Abmessungsmerkmale der Zähne (8) und/oder der Kerben (7) abgeschwächt werden.
Weitere Merkmale sind beispielsweise in der nachfolgenden Beschreibung anhand von schematischen Darstellungen von erfindungsgemässen Ausgestaltungen erläutert.
Die Fig. 1 bis 5 sind schematische, gerade Querschnitte einer Elektromaschine gemäss erfindungsgemässen Ausführungsvarianten.
Die Fig. 6 zeigt einen Blockschaltplan der Versorgung von Erregerwicklungen einer Elektromaschine.
Die Fig. 7 ist ein schematischer, gerader Querschnitt einer Elektromaschine gemäss einer anderen Ausführungsvariante.
Die Fig. 8 zeigt einen Blockschaltplan der Versorgung von Erregerwicklungen einer Elektromaschine gemäss der Fig. 7.Die Fig. 1 erläutert eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen, z.B.vierpoligen Gleichstrom- Elektromaschine 1.
Die Hauptbestandteile der Elektromaschine 1 sind ein Stator 2 und ein Rotor 3. Der Stator 2 ist an einem Gerüst 4 befestigt, und der Rotor 3 ist im Stator 2 über nicht dargestellte Lager koaxial montiert.
Der Stator 2 bildet den Induktor der Elektromaschine und verfügt dafür über vier gleichmässig, gemäss den Polachsen X winkelförmig verteilte Erregungspole P&sub1;-P&sub4;. Jeder Pol P&sub1;-P&sub4; verfügt über eine in herkömmlicher Weise mit Gleichstrom gespeiste Erregungswicklung E&sub1;-E&sub4;, zur Erzeugung des Erregungsmagnetfelds.
Der Stator 2 verfügt ebenfalls in bekannter Weise über vier Nebenpole P'&sub1;-P'&sub4;', die dazu dienen, die Schaltung dieses Maschinentyps zu verbessern. Jeder mit einer Nebenwicklung 5 versehene Pol P'&sub1;-P'&sub4;' ist auf eine zwischen den Polen gelagerte Achse Y konzentriert, die in gleichem Abstand zu den beiden aufeinanderfolgenden Polachsen X liegt.
Der Rotor 3 bildet den Anker der Maschine und leitet den Erregungsmagnetfluss, der einen zwischen dem Rotor 3 und jeden Erregungspol P&sub1;-P&sub4; begrenzten Luftspalt 6 durchquert, über seinen Magnetkreis.
An seiner Peripherie verfügt der Rotor 3 über eine Reihe von Kerben 7 zur Aufnahme der nicht dargestellten Ankerleiter und eine Reihe von Zähnen 8. Jede Kerbe 7 und jeder Zahn 8 erstreckt sich abwechselnd längs des Rotors 3.
Zur Vereinfachung wurde eine vierpolige Gleichstrommaschine dargestellt, die Erfindung richtet sich jedoch ebenfalls an eine Maschine, die im allgemeinen n Erregerpole Pi besitzt, die jeweils einer Induktorwicklung Ei zugeordnet sind.
Ausserdem richtet sich die Erfindung an Synchron- Elektromaschinen, die bekannterweise über einen den Anker bildenden Stator und einen den Induktor bildenden Rotor verfügen.
Zur Abschwächung von Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs in einer Elektromaschine, schlägt die Erfindung vor, im Luftspalt dieser Maschine eine Induktionsverteilung zu erzeugen, die über ein grösstmögliches Spektrum zumindest pseudozufällig ist. Man kann verschiedene praktische Ausführungen dieser Mittel in Betracht ziehen.
Gemäss dem durch die Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel, besitzen die Zähne 8 an der Peripherie eine zufällige Breite l, die über die gesamte Peripherie des Rotors 3 verteilt ist, während die Kerben 7 einen gleichbleibenden Querschnitt zur Aufnahme der Leiter beibehalten.
Die zufällige Verteilung der Breite der Zähne 8 über die Peripherie des Rotors 3 unterbricht die Regelmässigkeit der Verteilung der Zähne und der Kerben um ihre normale Stellung herum.
Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass der unregelmässige Verlauf der Zähne unter den Erregungspolen zufällige Durchlauffrequenzen erzeugt. Diese Verteilung bietet daher Mittel zur zufälligen Berichtigung der relativen Durchlauffrequenz zwischen den Zähnen und/oder den Kerben und den Polen und gewährleistet somit eine Verlängerung des sich ergebenden Frequenzspektrums.
Daher verfügt das sich ergebende Spektrum nicht mehr über eine bedeutende Kerbenreihe, deren Frequenz der regelmässigen Durchlauffrequenz der Zähne unter den Erregungspolen entspricht, sondern über eine zufällige Frequenzreihe, die es somit gestattet, die erzeugten Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs abzuschwächen.
Die Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Korrekturmittel, die dem Rotor einer Elektromaschine zur Abschwächung von Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs angepasst sind.
Dafür besitzen die Zähne 8 eine zufällige Höhe h die über die gesamte Peripherie des Rotors 3 verteilt ist, sowie eine zufällige Breite l, wie bereits vorher beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Korrekturmittel, bei dem die Kerben 7 eine zufällige Tiefe p und, an der Peripherie, eine zufällige Länge L besitzen, die über die gesamte Peripherie des Rotors 3 verteilt sind, während die Zähne 8 einen gleichbleibenden Durchflussquerschnitt beibehalten.
Die Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das die Abmessungsmerkmale der Zähne und der Kerben der Fig. 2 und 3 zusammenfasst, um die erfindungsgemässen Korrekturmittel zu bilden.
Dafür besitzen die Zähne 8 eine zufällige Breite l und eine zufällige Höhe h, die über die Peripherie des Rotors verteilt sind, und die Kerben 7 besitzen eine zufällige Tiefe p und eine zufällige Breite L, die ebenfalls über die Peripherie des Rotors verteilt sind.
Dazu muss bemerkt werden, dass man weitere Ausführungsbeispiele von Korrekturmitteln des Rotors in Betracht ziehen kann, ausgehend von allen möglichen, einfachen oder zusammengestellten Kombinationen der Abmessungsmerkmale der Zähne und/oder Kerben.
Die Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Korrekturmittel an den Stator der Maschine angepasst sind. Dafür werden die Erregungspole P&sub1;-P&sub4; zufällig auf der Peripherie des Stators angeordnet. Gemäss Darstellung besitzen die Pole P&sub1;-P&sub4; eine zufällige Breite l', die über die gesamte Peripherie des Stators verteilt ist, während die Nebenerregungspole P'&sub1;-P'&sub4; auf die Zwischenpolachsen Y ausgerichtet bleiben.
Dazu muss bemerkt werden, dass diese Anordnung der Pole sämtlichen Kombinationen der Abmessungsmerkmale der Zähne und/oder der Kerben des Rotors zugeordnet werden kann.
Ausserdem kann man eine pseudozufällige Verteilung der Kerben, der Zähne und/oder der Pole auf der Peripherie des der Maschine entsprechenden Bestandteils in Betracht ziehen, wodurch auf dieser Peripherie eine zufällige, sich wiederholende Verteilung erreicht werden kann. Man kann zum Beispiel vorsehen, auf dem Umfang zwei identische zufällige Verteilungen anzuordnen, die sich somit jeweils über 180 Grad erstrecken.
Die Fig. 6 zeigt die Versorgungssteuermittel 10 der den Polen P&sub1;-P&sub4; zugeordneten Erregungswicklungen E&sub1;-E&sub4;.
Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Steuermittel 10 der Anzahl der Polpaare, wobei sie die jeweils gegenüberliegenden Polwicklungen versorgen, wie z. B. die Wicklungen E&sub1;'E&sub3; gegenüber den Polen P&sub1;'P&sub3;.
Bei Maschinen mit zahlreichen Polen kann jedoch ebenfalls ein individuelles Steuermittel 10 für jede einem Pol zugeordnete Erregungswicklung vorgesehen werden.Die Steuermittel 10 bestehen aus Beaufschlagungsmitteln 11 eines Erregungsstroms auf die Induktorenwicklungen E&sub1;-E&sub4;. Die Beaufschlagungsmittel 11 sind mit der Durchlauffrequenz der Kerben unter den Polen synchronisiert. Diese Frequenz wird von einem auf dem Rotor montierten Drehzahlgeber 12 geliefert. Die Beaufschlagungsmittel 11 werden von Regelvorrichtungen 13 erregt, die am Eingang von den Impulsen der Kerben und von den vom Vibrationsgeber 14 erfassten und gefilterten 15 Daten gesteuert werden.
Die Beaufschlagungsmittel 11 bestehen z.B. aus einem breitenmodulierten Transistorenwechselrichter, einer ein- -oder dreiphasigen Gleichrichterbrücke oder einem Leistungsverstärker.
Die Beaufschlagungsmittel 11 liefern einen Erregungsstrom, der aus einem ständigen Signal und einem diesem überlagerten variablen Signal besteht.
Das ständige Signal erzeugt das erforderliche Erregungsmagnetfeld, für einen normalen Betrieb der Elektromaschine.
Das variable Signal ändert abwechselnd, und vorzugsweise sinusförmig, das Erregungsmagnetfeld, in Verbindung mit den Schwankungen des Magnetflusses oder des Luftspalts, die von dem Durchlauf der Kerben unter den Polen erzeugt werden.
Mit diesem Mitteln ist es möglich, die magnetische Unbalanz auszugleichen, die von der unregelmässigen Verteilung des Stroms an der Peripherie des Rotors herrührt, einer unregelmässigen Verteilung wegen der pseudozufälligen oder zufälligen Anordnung der Zähne und/oder Kerben.
Man kann davon ausgehen, dass das variable Signal folgende Form hat: v sin (ωt + φ). Die Pulsation entspricht der Pulsation der Kerben. Die Amplitude V und die Phase φ des Signals sind jeweils typisch für die Amplitude und die Winkelposition der Vibrationen im Verhältnis zum Rotor, und in Erweiterung, der Schwankung des Luftspalts, die von den Vibrations- und Drehzahlgebern 14 und 12 erfasst werden.
Hierzu kann der Vibrationsgeber 14 aus einer Hallschen Sonde, einem Beschleunigungs- oder Näherungsgeber bestehen, der z.B. an den Polen montiert wird. Die vom Geber 14 erfassten Informationen werden im Filter 11 vom Typ Folgebandfilter, verarbeitet, der auf die Durchlauffrequenz der Kerben zentriert ist, um somit die am entsprechenden Durchlassbereich bestehenden äusseren Störgeräusche zu beseitigen.
Die das ständige Signal liefernden Regelvorrichtungen 13 gestatten die beliebige Abänderung der Amplitude V und der Phase φ des variablen Signals im Verhältnis zum Rotor. Das ständige Signal kann jedoch auch unmittelbar von den Beaufschlagungsmitteln 11 geliefert werden.
Die Regelvorrichtungen 13 definieren die Phase φ und die Amplitude V, so dass die Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs verringert werden.
Hierfür suchen die Vorrichtungen 13, durch Berechnung, das Minimum der vom Vibrationsgeber gelieferten Daten, das von den Variablen V und φ abhängt. Das Minimum wird zunächst im Verhältnis zu einer dieser beiden Variablen und danach im Verhältnis zur anderen gesucht, bis das absolute Minimum erreicht ist.
Die Steuermittel 10 liefern demzufolge einen ständigen Erregungsstrom, der auf die Durchlauffrequenz der Rotorzähne eingestellt ist, dessen Amplitude und Phase beliebig modulierbar sind, und der es gestattet, den Rotor der Maschine radial zu belasten, um die Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs zu beseitigen.
Man muss davon ausgehen, dass die Steuermittel 10 die Wicklungen mit Erregungsströmen versorgen, die mit einem Wert zwischen 0 und 180 Grad untereinander phasenverschoben sind, um die Flusschwankungen pro Pol auszugleichen, so dass der unter jedem Pol resultierende Fluss so konstant wie möglich ist, und dies bei jeder beliebigen Stellung des Rotors.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Gegenstands, bei dem jeder Erregungspol P&sub1;-P&sub4; der Maschine jeweils mit zusätzlichen, auf herkömmlicher Weise montierten Kompensationswicklungen E'&sub1;-E'&sub4;' ausgestattet ist.
Die Erregungswicklungen E&sub1;-E&sub4; werden vom ständigen Signal versorgt, das das für einen normalen Betrieb der Maschine erforderliche Erregungsmagnetfeld erzeugt, während die Kompensationswicklungen E'&sub1;-E'&sub4; vom variablen Signal von allgemeiner, oben beschriebener Form versorgt werden.
Daraus ergibt sich, dass das resultierende Erregungsmagnetfeld dem durch das variable Signal modulierten Gleichstrom erzeugten Magnetfeld ähnlich ist.
Die den Kompensationswicklungen E'&sub1;-E'&sub4;' zugeordneten Steuermittel 10 besitzen, wie aus der Fig. 8 ersichtlich, eine Betriebskonfiguration, die mit derjenigen der bereits beschriebenen Steuermittel 10 (Fig. 6) identisch ist.
Die Regelvorrichtungen 13' gestatten es, die Phase φ und die Amplitude V des von den Beaufschlagungsmitteln 11', z.B. von einem einphasigen Wechselrichter gelieferten, variablen Signals zu ändern.

Claims

1 - Verfahren zur Abschwächung von Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs in Synchron- oder Gleichstrommaschinen, bestehend aus einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei einer (n) Pole (Pi) aufweist, die jeweils Wicklungen zugeordnet sind, und der andere an seinem Umfang abwechselnd Kerben (7) zur Aufnahme von Leitern und Zähne (8) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem der Bestandteile (2, 3) Mittel vorgesehen sind, die die relative Durchlauffrequenz der Zähne (8) und/oder der Kerben (7) vor den Polen (Pi) nicht konstant gestaltet.

2 - Verfahren gemäss dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel auf dem Bestandteil der Zähne (8) und der Kerben (7) vorgesehen sind.

3 - Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel auf dem die Pole (Pi) tragenden Bestandteil vorgesehen sind.

4 - Verfahren gemäss den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausserdem zumindest für einen Pol (Pi) Mittel (10, 10') vorgesehen sind, die auf die dem besagten Pol zugeordneten Wicklungen einwirken.

5 - Synchron- oder Gleichstromelektromaschine, bestehend aus einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei einer (n) Pole (Pi) aufweist, die jeweils Wicklungen zugeordnet sind, und der andere an seinem Umfang abwechselnd Kerben (7) zur Aufnahme von Leitern und Zähne (8) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs abgeschwächt werden, indem die Verteilung der Abmessungsmerkmale der Zähne (8) und/oder der Kerben (7) pseudozufällig gestaltet ist.

6 - Elektromaschine gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Abmessungsmerkmale über die gesamte Umfangsfläche des die Kerben (7) und die Zähne (8) tragenden Bestandteils erfolgt.

7 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (8) eine zufällige Breite (l) besitzen.

8 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (8) eine zufällige Höhe (h) besitzen.

9 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (7) eine zufällige Breite (L) besitzen.

10 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (7) eine zufällige Tiefe (p) besitzen.

11 - Elektromaschine gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem ein (n) Pole (Pi) tragendes Bestandteil besitzt, mit einer zufälligen Breite (l') und Nebenpole (P'i), die auf die Achsen (X) zwischen den Polen ausgerichtet sind.

12 - Elektromaschine gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem für zumindest einen Pol (Pi) Mittel (10, 10') besitzt, die auf die diesem Pol zugeordneten Wicklungen einwirken, um das Magnetfeld örtlich zu ändern und dem Rotor eine radiale Belastung zu verleihen, in Verbindung mit den von der Maschine erzeugten Vibrationen elektromagnetischen Ursprungs, wobei es sich um folgende Mittel handelt:

- einem Geber (12) zur Erfassung der Drehfrequenz des Rotors,

- einem Geber (14) zur Erfassung der Amplitude und der Phase der Vibrationen, dem ein Passbandfilter (15) zugeordnet ist, das auf die Drehfrequenz des Rotors zentriert ist,

- Mitteln (11, 11') zur Beaufschlagung der zugeordneten Wicklungen mit einem alternativen, mit der Drehfrequenz des Rotors synchronisierten Erregungssignal,

- und Mitteln (13, 13') zur Regelung der Beaufschlagungsmittel, die, in Verbindung mit der Phase und der Amplitude der erfassten Vibrationen, die Phase und das Modul des alternativen Erregungssignals ändern.

13 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Wicklungen aus Erregungswicklungen (Ei) der Maschine bestehen, die von einem alternativen Signal modulierten Erregungsgleichstrom versorgt werden, der von den durch die Regelmittel (13) gesteuerten Beaufschlagungsmitteln (11) geliefert wird.

14 - Elektromaschine gemäss dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Wicklungen aus Erregungswicklungen (Ei) der Maschine bestehen, die von einem ständigen Signal versorgt werden, und aus zumindest einer Kompensationswicklung (E'i), die von einem von den durch die Regelmittel (13') gesteuerten Beaufschlagungsmitteln (11') gelieferten, alternativen Signal versorgt wird.