DE4431199A1

DE4431199A1 - Schenkelpolmaschine

Info

Publication number: DE4431199A1
Application number: DE19944431199
Authority: DE
Inventors: Josef Schwanda; Jean-Jacques Prof Dr Simond; Hans Dr Voegele
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-07

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schenkelpolmaschine, mit einem Stator, einem Rotor mit ausgeprägten Polen, welche Pole einen Polkörper, einen Polschuh, eine den Polkörper umgebenden Polspule sowie eine Dämpferwicklung in mit Vornuten versehenen Nuten im Polschuh umfassen, welche Dämpferwicklung aus einer Mehrzahl Dämpferstäben, die parallel zur Rotorachse verlaufen und an beiden Stirnseiten des Pols untereinander mittels in Umfangsrichtung verlaufenden Kurzschlußsegmenten verbunden sind, besteht, und - abhängig vom Maschinentyp - die Kurzschlußsegmente eines jeden Pols untereinander elektrisch zu einem Kurzschlußring verbunden sind.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Bei Dreiphasenmaschinen für Wasserkraftanlagen soll die Dämp ferwicklung die Stabilität erhöhen, den Betrieb bei unsymme trischer Belastung zulassen, und, falls nötig, den asynchronen Anlauf ermöglichen. Einphasenmaschinen erfordern eine Dämpfer wicklung zur Kompensation des inversen Drehfeldes.

Bei Rotoren mit lamellierten Polen besteht die Dämpferwicklung meist aus Rundkupferstäben in Rundnuten, die oft zwecks Ver meidung der magnetischen Sättigung nach der Poloberfläche zu geschlitzt sind (vgl. Wiedemann/Kellenberger "Konstruktion elektrischer Maschinen", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1967, Abb. 362d auf Seite 368). Die Nutenteilung soll möglichst gleich der Statornutteilung sein, mit zulässi gen Abweichungen bis max. 15%. Vielfach genügt eine Dämpfung in der Längsachse, so daß nur sogenannte Polgitter oder Dämp fergitter verwendet werden, bei welchen die Stäbe jedes Pols durch Kurzschlußsegmente verbunden sind, in welche man die Stäbe einlötet.

Bei höheren Anforderungen an die Dämpfung werden die Dämpfer gitter der einzelnen Pole sogar mit Kurzschlußringen über alle Pole weg verbunden, um auch eine Dämpfung in der Quer achse zur erzielen (vgl. a.a.O. Abb. 272 auf Seite 324). In Ausnahmefällen, z. B. bei manchen Einphasenmaschinen werden so gar Dämpferstäbe in den Pollücken angeordnet (vgl. a.a.O. Abb. 273 auf Seite 324).

Bei Einphasenmaschinen, bei welchen die Dämpferwicklung die inverse Komponente der einphasigen Ankerdurchflutung abzudämp fen hat, sind große Dämpferstabquerschnitte nötig, so daß hierfür auch Profilstäbe und manchmal sogar Röbelstäbe zur Un terdrückung der Stromverdrängung bei den großen Stabquer schnitten verwendet werden. Diese Dämpferstäbe sind in offenen oder halbgeschlossenen Nuten im Polschuh angeordnet und meist durch Nutkeile gesichert.

Bei Schenkelpolmaschinen mit konventioneller Dämpferwicklung, also gleichmäßiger Verteilung von unter sich gleichartigen Dämpferstäben in unter sich gleichartigen Dämpfernuten, werden in den einzelnen Dämpferstäben stark unterschiedliche Dämpfer ströme induziert. Speziell im Falle von Einphasen-Synchronma schinen mit einer dauernden Inversdurchflutung, die gleich der Nutz-Drehdurchflutung ist, ergeben sich damit unterschiedliche Verluste, und als Folge davon unterschiedliche Erwärmungen in den einzelnen Dämpferstäben. Die daraus resultierende unter schiedliche thermische Ausdehnung der einzelnen Dämpferstäbe erfordert eine flexible Verbindung zum Kurzschluß- oder Dämp ferring (vgl. a.a.O. Abb. 273 auf Seite 324). Diese Verbindung verteuert die Maschine, weil sie hohe Ströme führen muß und den Fliehkräften ausgesetzt ist, gleichzeitig aber flexibel sein muß, was die Gefahr von Ermüdungsbrüchen in sich birgt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schenkelpolma schine der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die ohne flexible Verbindungselemente zwischen Dämpferstäben und den Kurzschlußsegmenten bzw. dem Kurzschlußring auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Polschuhbogen jedes Pols konzentrisch zur Statorbohrung ver läuft und daß die Breite der Vornutöffnungen von der Mitte des Polschuhs ausgegehend gegen dessen beide Enden hin kleiner gewählt ist als in der Polschuhmitte und/oder daß die Tiefe der Vornut von der Mitte des Polschuhs ausgegehend gegen des sen beide Enden hin größer gewählt ist als in der Polschuh mitte.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, einen Weg aufge zeichnet zu haben, bei welchem zum einen die Dämpferströme in den einzelnen Dämpferstäben und zum anderen auch die zugehöri gen Kühlverhältnisse nur unwesentliche Unterschiede aufweisen:
Durch den konzentrisch zur Statorbohrung verlaufenden Pol schuhbogen, was gleichbedeutend mit einem konstanten Luftspalt in Umfangsrichtung ist, werden gleiche Kühlverhältnisse über die gesamte Polschuhoberfläche erreicht. Damit hat man eine konstante Wärmeübergangszahl im Polbogenbereich und damit auch im Dämpferwicklungsbreich. Diese Maßnahme allein reicht aber noch nicht aus. Erst dann, wenn durch unterschiedliche Induk tivität einzelner Dämpferstäbe auch noch eine gleichmäßige Verteilung der Dämpferströme bzw. eine gleichmäßig Verteilung der speziellen Dämpferverluste bezogen auf die Polschuhober fläche erreicht ist, wird eine gleichmäßige Erwärmung aller Dämpferstäbe erzielt, welche wiederum die starre Verbindung Dämpferstab/Dämpferring ermöglicht.

Zwar wurde schon in der US-A-1,695,391 vorgeschlagen, bei ei nem selbstanlaufenden Synchronmotor die Dämpferwicklung, ins besondere den Kurzschlußring, so zu gestalten, daß sie so wohl den jeweiligen elektrisch und mechanischen Gegebenheiten leicht anzupassen ist als auch gleichzeitig zur Abstützung der Polwicklung dienen kann. Bei dieser bekannten Maschine sind zwecks Vereinfachung der Fertigung des Kurzschluß- oder Dämp ferrings die axialen Bohrungen im Polschuh zur Aufnahme der Dämpferstäbe für alle Maschinentypen identisch. Die Anpassung an die zu beherrschenden Dämpferströme erfolgt durch Variation der Dicke und der Materialzusammensetzung der Dämpferstäbe, wobei diese im Grenzfall sogar aus nichtmagnetischen Rohren bestehen können, in welche ein Kern aus magnetischem Material eingeschoben ist. Auf die Problematik der unterschiedlichen Erwärmung der Dämpferstäbe und die daraus resultieren Konse quenzen wird in dem genannten Dokument jedoch nicht eingegan gen.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß durch diese Maßnahmen eine starre Verbindung zwischen Dämpferstab und Kurzschluß- oder Dämpferring möglich ist, weil alle Dämpferstäbe nunmehr gleichmäßig erwärmt werden. Dieses Ziel kann im Grunde genommen auch dadurch erreicht wer den, daß z. B. bei gleicher Vornuttiefe und/oder gleicher Vor nutbreite unterschiedliche Dämpferstabquerschnitte verwendet werden. Diese Vorgehensweise bedeutet jedoch einen derzeit nicht vertretbaren zusätzlichen Fertigungsaufwand und aufwen digere Lagerhaltung. Das Einbringen von Nutöffnungen in die Polbleche mit unterschiedlicher Vornutbreite und/oder Vornut tiefe hingegen ist hingegen wesentlich wirtschaftlicher durch zuführen, weil die Herstellung der Polbleche mit modernen frei programmierbaren Werkzeugmaschinen, z. B. Laser-Schneidmaschi nen, durchgeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erziel baren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen stark vereinfachten Teil des Querschnitts durch eine bekannte Schenkelpolmaschine;

Fig. 2 einen stark vereinfachten Teil des Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Schenkelpolmaschine;

Fig. 3 einen Teils des Längsschnitts durch den Pol gemäß Fig. 2.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Gemäß Fig. 1, die einen stark vereinfachten Querschnitt durch eine bekannte Schenkelpolmaschine zeigt, ist der Stator mit 1, ihr Rotor generell mit 2 und der Luftspalt zwischen Stator und Rotor mit 3 bezeichnet. An einem nur teilweise sichtbaren Ro torstern 4 sind Pole angeordnet, die aus einem Polkörper 5 und einem pilzförmigen Polschuh 6 sowie einer Polspule 7 bestehen. Der Radius der Statorbohrung ist mit r_s bezeichnet, mit M_s de ren Mittelpunkt (= Maschinenlängsachse); der Polbogen (= Ra dius der dem Luftspalt 3 zugewandten Fläche des Polschuhs 6 ist mit r_P, sein Mittelpunkt mit M_P.

Vergleichsweise dicht unter dieser Oberfläche und im selben Abstand zur Oberfläche des Polschuhs 6 sind eine Mehrzahl Dämpferstäbe 8 in halboffenen Nuten eingeschoben, die sich über die gesamte axiale Länge des Polschuhs 6 erstrecken. Sämtliche Dämpferstäbe 8 sind an den Stirnseiten des Pols bzw. des Polschuhs 6 mit Kurzschlußsegmenten 9 (in Fig. 1 strich liert dargestellt) untereinander elektrisch verbunden. Die Kurzschlußsegmente 9 jedes Pols sind mit Verbindungsstücken 10 untereinander elektrisch verbunden. Die Kurzschlußsegmente 9 bilden zusammen mit den Verbindungsstücken 10 den Kurzschluß- oder Dämpferring, der auch einstückig ausgeführt sein kann. Im folgenden wird daher unter "Kurzschlußring 9" ein Gebilde verstanden, daß aus einem geschlossenen Ring besteht oder auch aus einzelnen Kurzschlußsegmenten und sie in Umfangs richtung verbindenden Verbindungsstücken bestehen kann.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, weist der Polbogen r_P einen kleineren Radius auf als der Radius r_s der Statorbohrung. Dies hat zur Folge, daß die Breite d_M des Luftspalts 3 im Bereich der Polmitte kleiner ist als die Breite d_E des Luftspalts am Polschuhende. Bei sich drehender Maschine hat diese unter schiedliche Luftspaltbreite eine unterschiedliche Wärmeüber gangszahl α längs des Polschuhs 6 zur Folge. Dies bedeutet, daß selbst bei gleichen (induzierten) Strömen in allen Dämp ferstäben 8 - bedingt durch die unterschiedlichen α-Werte - die Stäbe in der Polmitte eine andere Temperatur annehmen als am auflaufenden bzw. ablaufenden Polende.

Nun sind darüber hinaus auch bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Dämpferanordnung die Dämpferströme in den einzelnen Dämpferstäben voneinander verschieden, was zur Folge hat, daß die Erwärmung der einzelnen Dämpferstäben unterschiedlich ist. Hier setzt nun die Erfindung ein.

Erfindungsgemäß ist nun gemäß Fig. 2 der Polschuhbogen jedes Pols so gewählt, daß er konzentrisch zur Statorbohrung ver läuft, d. h. die Breite des Luftspalts 3 ist überall die selbe (d_M = d_E), und daß die Breite w_N der Vornutöffnungen der halbgeschlossenen Nuten von der Mitte des Polschuhs 6 ausgege hend gegen dessen beide Enden hin kleiner gewählt ist als in der Polschuhmitte und daß die Nuttiefe (t_N-h₈ mit h₈ = ra diale Höhe des Dämpferstabes 8) der Vornut V von der Mitte des Polschuhs 6 ausgegehend von der Polschuhmitte gegen dessen beide Enden hin größer gewählt ist als in der Polschuhmitte.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß - abweichend von der bevorzugten Anordnung nach Fig. 2 - es ausreicht, wenn neben dem konstanten Luftspalt 3 (d_M = d_E) entweder nur die Breite w_N der Nutöffnungen bei halbgeschlossenen Nuten oder bei bei den Nuttypen nur die Tiefe t_N-h₈ der Vornut V, d. h. bei kon stanter radialer Höhe h₈ des Dämpferstabes 8, die Nuttiefe t_N in der angegebenen Weise variiert wird.

In erster grober Näherung gilt, dass die Dämpferstäbe 8 auf einem Kreis um einen Mittelpunkt M_D mit Radius r_D liegen, wo bei dieser Radius kleiner ist als der Polbogen r_P. M_D liegt dabei auf der radialen Symmetrieebene E des Pols und r_D < r_P.

Die in den mit Vornuten V versehenen Nuten im Polschuh 6 lie genden Dämpferstäbe 8 weisen im Beispielsfall alle den glei chen Rechteckquerschnitt auf und sind in bekannter Weise mit tels nichtmagnetischer Nutverschlußkeile 11 gesichert. Analog Fig. 1 sind die einzelnen Dämpferstäbe 8 jedes Pols unter sich und mit den Dämpferstäben 6 aller Pole mit einem Kurzschlußring elektrisch verbunden, was in Fig. 2 aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung nicht eingezeichnet ist.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre ermöglicht es nun, die Konstruktion der Dämpferwicklung einer Schenkelpolmaschine wesentlich zu vereinfachen, weil eine flexible oder elastische Verbindung zwischen den Enden des Kurzschlußrings entfällt. Gleichzeitig ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der Be triebssicherheit, da keine Ermüdungsbrüche an besagten Verbin dungen auftreten können. Diese Vereinfachung der Konstruktion soll nachfolgend anhand der Fig. 3, die einen teilweisen Radi alschnitt durch einen Pol einer Einphasen-Synchronmaschine zeigt, verdeutlicht werden.

An einem sogenannten endplattenlosen lamellierten Pol - er ist in aller Ausführlichkeit in der CH-A-675 799 beschrieben - ist die Polwicklung mittels eines Tragwinkels 12 radial abge stützt. Die Dämpferstäbe bestehen aus zwei Abschnitten. Der innerhalb des Polschuhs 6 verlaufende Abschnitt 8a ist zur Un terdrückung der Stromverdrängung als Röbelstab ausgeführt, be steht demgemäß aus einer Vielzahl miteinander verdrillter Teilleiter. Er geht polstirnseitig in einen Massivstab 8b gleichen Querschnitts aus Hartkupfer über. Die Verbindung zwi schen den beiden Stäben 8a und 8b erfolgt z. B. durch Hartlö ten.

Der Kurzschlußring 9 liegt radial innen unter dem Massivstab 8b und ist an diesem großflächig mittels Schrauben 13 befe stigt. Der Kurzschlußring wird außen mittels einer Halterung 14, die aus mehreren Metallstreifen zusammengesetzt sein kann, an der Stirnseite des Tragwinkels 12 unter Belassung eines Spaltes S gehalten, wobei die Halterung 14 eine erwärmungsbe dingte Relativbewegung zwischen dem Kurzschlußring 9 und be sagtem Tragwinkel 12 ermöglichet. Am polschuhseitigen Ende ist im Kurzschlußring 9 eine axiale (= in Richtung des Dämpfer stabes verlaufende) kreisrunde Sacklochbohrung 15 vorgesehen. Diese dient der formschlüssigen Aufnahme einer Rundmutter 16. Eine mit der Sacklochbohrung 15 fluchtende weitere Sackloch bohrung 17 ist in die Stirnfläche des Pols eingearbeitet, in welche die Rundmutter 16 teilweise formschlüssig eintaucht. Ein Spannbolzen 18 dient zusammen mit der Rundmutter 16 einerseits dem Zusammenhalt des lamellierten Pols, andererseits stützt die Rundmutter 16 auch den Kurzschlußring 9 an seiner Innenseite radial ab. Die Tiefe der Sacklochbohrung 15 ist dabei größer gewählt als das Maß, um das die Rundmutter 16 aus dem Pol übersteht. Auf diese Weise kann sich bei Erwärmung des Dämpferstabes, insbesondere seines inneren Abschnitts 8a, und oder des Pols die gesamte aus Mas sivstab 8b, Kurzschlußring 9 einschließlich ihrer Verschrau bungen 13 bestehende Anordnung relativ zum Pol in Axialrich tung bewegen. Diese Abstützung kann in radialer und auch in Umfangsrichtung sehr steif ausgeführt sein, weil unterschied liche temperaturbedingte Dehnungen in den einzelnen Dämpfer stäben nicht mehr auftreten. Sie ist wirtschaftlich herzustel len und konstruktiv einfach.

Die konstruktive Ausführung einer erfindungsgemäßen Dämpfer wicklung wurde vorstehend anhand eines sogenannten endplatten losen Pols verdeutlicht. Es versteht sich von selbst, dass sie auch für konventionelle Pole mit massiven Endplatten und auch für durchgehend massive Dämpferstäbe geeignet ist.

Bezugszeichenliste

1 Stator
2 Rotor
3 Luftspalt
4 Rotorstern
5 Polkörper
6 Polschuh
7 Polspule
8 Dämpferstäbe
8a Röbelstab
8b Massivstab
9 Kurzschlußsegmente
10 Verbindungsstücke
11 Nutverschlußkeile
12 Tragwinkel
13 Schrauben
14 Halterung
15 Sacklochbohrung in 9
16 Rundmutter
17 Sacklochbohrung in 6
18 Spannbolzen
d_M Breite des Luftspalts in Polmitte
d_E Breite des Luftspalts am Polende
E radiale Symmetrieebene des Pols
h₈ radiale Höhe der Dämpferstäbe 8
M_D Mittelpunkt des Dämpferstabbogens
M_P Mittelpunkt des Polbogens
M_S Mittelpunkt der Statorbohrung
r_D Radius des Kreises durch 8
r_P Radius des Polbogens
r_S Radius der Statorbohrung
S Spalte zwischen 9 und 12
t_N Nuttiefe
t_N-h₈ Tiefe der Vornut
V Vornut
w_N Vornutbreite

Claims

1. Schenkelpolmaschine, mit einem Stator, einem Rotor mit ausgeprägten Polen, welche Pole einen Polkörper (5), einen Polschuh (6), eine den Polkörper umgebenden Pol spule (7) sowie eine Dämpferwicklung in mit Vornuten (V) versehenen Nuten im Polschuh (6) umfassen, welche Dämp ferwicklung aus einer Mehrzahl Dämpferstäben (8) gleichen Querschnitts, die parallel zur Rotorachse verlaufen und an beiden Stirnseiten des Pols untereinander mittels in Umfangsrichtung verlaufenden Kurzschlußsegmenten (9) verbunden sind, besteht, und - abhängig vom Maschinentyp - die Kurzschlußsegmente (9) eines jeden Pols unterein ander elektrisch zu einem Kurzschlußring verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuhbogen jedes Pols konzentrisch zur Statorbohrung verläuft und daß die Breite (w_N) der Vornutöffnungen von der Mitte des Pol schuhs (6) ausgehend gegen dessen beide Enden hin kleiner gewählt ist als in der Polschuhmitte und/oder daß die Tiefe (t_N-h₈) der Vornuten (V) von der Mitte des Pol schuhs (6) ausgegehend gegen dessen beide Enden hin größer gewählt ist als in der Polschuhmitte.

2. Schenkelpolmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die den Polschuh überragenden Enden (8b) der Dämpferstäbe (8) großflächig mit den Kurzschlußsegmenten (9) verbunden sind.

3. Schenkelpolmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass die Kurzschlußsegmente axial innen und außen an der Stirnfläche des Pols bzw. an einem Tragwinkel (12) für die Polspule (7) axial beweglich abgestützt sind.

4. Schenkelpolmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die innere Abstützung an einem als Rundmutter (16) ausgebildeten Spannmittel des Pols erfolgt, welche Rundmutter (16) sowohl in den Pol als auch in das Kurz schlußsegment (9) formschlüssig eintaucht.