DE4432963C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Mit dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boveri Mitteilungen 5 (1978), S. 312-317, bekannt ist. Dort werden zur direkten berührungslosen Luftspaltmessung in rotierenden elektrischen Maschinen u. a. magnetische Induktionsänderungen mittels Induktionsspulen oder magnetoresistiven Bauelementen (Feldplatten) detektiert. Diese Magnetsonden sind in einem elastischen Silikonkautschuk vergossen und in sog. Vetresit- Streifen verklebt.

Aus der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boveri Mitteilungen 2 (1980), S. 135-140, ist es bekannt, für Hochspannungswicklungen von rotierenden elektrischen Maschinen sog. Roebelstäbe zu verwenden, die nach deren Erfinder Ludwig Roebel benannt sind und aus mehreren isolierten Teilleitern bestehen. Die Teilleiter sind derart verdrillt, daß jeder Teilleiter jede Position innerhalb des Stabes einnimmt.

Bedingt durch die Stromverdrängung treten in Statorwicklungen elektrischer Maschinen Stromwirbel auf, die sich innerhalb eines massiven Leiters schließen und zum Gesamtstrom nichts beitragen. Im anfangseitigen und endseitigen Stirnraum der Maschine werden durch das elektromagnetische Feld sog. Schlingströme erzeugt, die innerhalb der parallelgeschalteten Teilleiter von Roebelstäben zirkulieren und zum Gesamtstrom des Roebelstabes keinen Beitrag leisten.

Um die entstehenden zusätzlichen Stromverluste durch konstruktive Gegenmaßnahmen minimieren zu können, ist es erwünscht, die elektrische Stromverteilung innerhalb des Leiters einer Wicklung zu kennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, welche auf einfache Weise deren meßtechnische Ermittlung ermöglichen. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Patentanspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf einfache Weise aus dem Feldverlauf des magnetischen Nutquerfeldes die Stromverteilung innerhalb eines Leiters bestimmt werden kann. Es ist dazu kein Eingriff in die Wicklung erforderlich.

Der zur Messung erforderliche Sondenkanal kann auf einfache Art in elektrischen Maschinen angebracht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ausschnittweise einen Querschnitt durch einen Stator einer rotierenden elektrischen Maschine mit radial angeordneter magnetischer Feldsonde,

Fig. 2 2 Roebelstäbe in einer Nut eines Statorblechpaketes der Maschine gemäß Fig. 1 im Querschnitt mit einer magnetischen Feldsonde zur Erfassung der magnetischen Feldstärke in der Nut und

Fig. 3 den Verlauf der magnetischen Feldstärke in der Nut gemäß Fig. 2 mit und ohne Schlingströme.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist ausschnittweise der Stator einer rotierenden elektrischen Maschine (1), welcher in einem Gehäuse (2) untergebracht ist, im Querschnitt dargestellt. Ein Statorblechpaket (3) weist rotorseitig Nuten (4) zur Aufnahme von Statorwicklungen bzw. Roebelstäben bzw. Leitern (W1, W2) auf, vgl. Fig. 2. Mit A-A ist die vertikale Richtung angegeben. (5) bezeichnet eine Rotationsachse eines nicht dargestellten Rotors der elektrischen Maschine (1). Durch das Gehäuse (2) und das Statorblechpaket (3) ist ein radialer Sondenkanal (17), vgl. Fig. 2, geführt, in welchem ein Sondenstab oder Sondenhalter (6) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff radial beweglich angeordnet ist. Elektrische Leitungen (8, 9) von magnetischen Feldsonden, vorzugsweise von Hallsonden (M1, M2), vgl. Fig. 2, sind mittels eines Halteelements (7) in einem Sondenführungsrohr (24) gegen Brechen gesichert. Die elektrischen Leitungen (8, 9) sind einem Analog/Digitalwandler (10) zugeführt, der ausgangsseitig mit einem Mikroprozessor oder Rechner (11) verbunden ist. Das Rechenergebnis des Rechners (11) wird in einem Ausgabegerät ausgegeben oder in einer Anzeigeeinrichtung (12) angezeigt. Die Geräte (10-12) können in einem Feldmeßgerät zusammengefaßt sein.

Die nicht maßstabsgerechte Fig. 2 zeigt in einer Nut (4) des Statorblechpaketes (3) 2 Leiter (W1, W2), die in der Nut (4) hintereinander angeordnet sind, im Querschnitt. Üblicherweise beträgt die Verdrillung eines Leiters (W1, W2) im Nutbereich 360°; sie kann auch anders sein. Der Leiter (W1) weist mehrere linke Teilleiter (W11l, W12l, . . . W1nl) und ebensoviel rechte Teilleiter (W11r, W12r, . . . W1nr) auf, die jeweils durch eine Teilleiterisolation (13) und eine Zwischenlagenisolation (18) zwischen den linken und rechten Teilleitern gegenseitig isoliert sind. Nach jeweils 6 linken und rechten Teilleitern sind gekühlte Teilleiter bzw. Hohlleiter (14) angeordnet, um ein zu starkes Aufheizen im Innern der Teilleiter zu vermeiden. Als Kühlfluid wird Wasser verwendet.

Zentrale endseitige Hohlleiter (14) zeigen Positionen der Teilleiter an, in denen diese die Seite wechseln. Sie sind randseitig von einer elektrisch isolierenden Ausfüllung (16) umgeben. Die beiden Leiter (W1, W2) sind gleich aufgebaut; die Bezeichnungen ihrer Teilleiter (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr) unterscheiden sich nur durch die Indizes 1 bzw. 2. Beide Leiter (W1, W2) sind in eine Hauptisolation (15) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet. Bezüglich der Herstellung der Leiter (W1, W2) wird auf die eingangs genannte Druckschrift: Brown Boveri Mitteilungen 5 (1978), S. 312-317, verwiesen.

In der Nut (4) mit einer Breite (b) ist in einem Sondenkanal (17) zwischen der rechten Hauptisolation (15) der Leiter (W1, W2) und der rechten Wand der Nut (4) der Sondenhalter (6) in radialer Richtung verschiebbar angeordnet. Der Sondenhalter (6) hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt mit einer Dicke von 1,5 mm und einer Breite von 5 mm. Im unteren Teil des Sondenhalters (6) sind in Vertiefungen oder Aussparungen 2 magnetische Feldsonden bzw. Hallsonden (M1, M2) oder Feldmeßspulen in einem vorgebbaren Mittenabstand (d) von vorzugsweise 7,2 mm, entsprechend dem vertikalen Abstand von 4 Teilleitern (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr), eingelassen. Die ebenfalls in den Sondenhalter (6) eingelassenen elektrischen Zuleitungen sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Es versteht sich, daß jede Hallsonde (M1, M2) 4 elektrische Zuleitungen benötigt.

In Fig. 3 ist in willkürlichen Einheiten auf der Abszisse eine magnetische Feldstärke (H) und auf der Ordinate eine Wegstrecke (x) in radialer Richtung aufgetragen, entsprechend dem radialen Verlauf der Feldverteilung in der Nut (4) der benachbarten Fig. 2. Dabei hat die magnetische Feldstärke (H) am geschlossenen Ende der Nut (4) den Wert 0 und am offenen unteren Ende ihren Maximalwert. Geradenabschnitte (19-21) zeigen den Verlauf der magnetischen Feldstärke (H) bei Gleichstrom in den Leitern (W1, W2), d. h. ohne Schlingströme. Im wicklungsfreien Bereich (20) ändert sich die magnetische Feldstärke (H) nicht. Bei Gleichstrom muß der Kennlinienverlauf nicht notwendig gerade sein. Ein solcher nichtlinearer Kennlinienverlauf wird dann als Referenz für die Messung mit Schlingströmen verwendet.

Bei Wechselströmen in den Leitern (W1, W2) treten unerwünschte Schlingströme auf, verursacht durch eine fehlende oder unzureichende Verdrillung der Leiter (W1, W2) an den Stirnseiten des Stators der elektrischen Maschine (1), deren Auswirkung auf die magnetische Feldstärke (H) in einer Nut (4) durch Kurven (22) und (23) angedeutet ist.

In den vereinfacht dargestellten Kurven (19-23) von Fig. 3 ist der geringere Anstieg der magnetischen Feldstärke (H) im Bereich der Hohlleiter (14) der Leiter (W1, W2) nicht berücksichtigt.

Die gesuchte elektrische Stromverteilung I(x) innerhalb eines Leiters (W1, W2) erhält man gemäß:

wobei i den jeweiligen Strom in den Teilleitern (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr) im Bereich der Summationsgrenzen bezeichnet.

Im Prinzip kann die elektrische Stromverteilung I(x) mittels nur einer Hallsonde (M1) ermittelt werden, wobei jedoch bei einem Verschieben längs der Nut (4) die Phasenverschiebung des Stromes (i) zu berücksichtigen ist. Diese Notwendigkeit kann durch die Verwendung von 2 Hallsonden (M1, M2) in Differenzschaltung vermieden werden. Mit ihnen kann auf einfache Weise die Änderung der magnetischen Feldstärke (H) längs der Wegstrecke (x) erfaßt und mittels des Feldmeßgerätes (10-12) ausgewertet werden.

Es versteht sich, daß diese Messung auch in nichtrotierenden Maschinen, wie z. B. bei Linearmaschinen und Transformatoren, angewandt werden kann. Es können auch mehr als 2 Leiter (W1, W2) in einer Nut (4) vorgesehen sein. Die Anzahl der Teilleiter (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr) innerhalb eines Leiters (W1, W2) kann von der in Fig. 2 dargestellten Anzahl abweichen. Es müssen nicht notwendig Hohlleiter (14) innerhalb eines Leiters (W1, W2) vorgesehen sein.

Wichtig ist, daß eine indirekte Erfassung eines jeden Teilleiterstromes (i) vorgenommen werden kann, ohne daß ein konstruktiver Eingriff in den Leiter (W1, W2) selbst vorgenommen werden muß. Dazu wird die physikalische Eigenschaft von elektrischen Leitern (W1, W2) in einer metallischen Nut (4) aus einem permeablen Material ausgenutzt, daß das magnetische Nutquerfeld ein Abbild der elektrischen Stromverteilung I(x) im Leiter (W1, W2) ist. Die Erfassung der elektrischen Stromverteilung 1(x) erfolgt also indirekt durch eine Messung der magnetischen Flußdichte (B), welche über die Permeabilität der Luft zur magnetischen Feldstärke (H) führt, die mit der Breite (b) der Nut (4) multiplikativ verknüpft wird.

In der Nut (4) werden Hallsonden (M1, M2) fest oder beweglich angeordnet. Aus der Differenz der Meßwerte H1 und H2 der magnetische Feldstärke (H), gemessen mittels der Hallsonden (M1) bzw. (M2), kann die elektrische Stromverteilung I(x) zwischen den beiden x-Positionen nach Betrag und Phase bestimmt werden. Zwischen den Hallsonden (M1, M2) können in x-Richtung ein oder mehrere Teilleiter (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr) angeordnet sein. Um die Ströme (i) in den verschiedenen Teilleitern (W1nl, W1nr; W2nl, W2nr) auseinanderhalten zu können, wird je Teilleitersäule ein Meßort in geeigneter Position längs der Leiter vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Maschine
2 Gehäuse von 1
3 Statorblechpaket von 1
4 Nuten in 3
5 Achse von 1, Rotorachse
6 Sondenstab, Sondenhalter
7 Halteelement für 8, 9
8, 9 elektrische Leitungen
10 Analog/Digitalwandler
11 Mikroprozessor, Rechner
12 Anzeigeeinrichtung, Ausgabegerät
13 Teilleiterisolation
14 gekühlter Teilleiter, Hohlleiter
15 Hauptisolation
16 Ausfüllung
17 Sondenkanal
18 Zwischenlagenisolation
19, 21 Verlauf der magnetischen Feldstärke ohne Schlingströme
20 Verlauf der magnetischen Feldstärke im Bereich zwischen den Maschinenwicklungen W1, W2
22, 23 Verlauf der magnetischen Feldstärke bei Vorhandensein von Schlingströmen
24 Sondenführungsrohr
A-A radiale Schnittlinie durch die Achse 5 von 1
b Nutbreite
B magnetische Flußdichte
d Mittenabstand von M1-M2
H magnetische Feldstärke
M1, M2 magnetische Feldsonden, Magnetfeldsonden, Hallsonden, Feldmeßspulen
W1, W2 untere bzw. obere elektrische Wicklungen in einer Nut 4 von 1, Roebelstäbe, Leiter
W11l - W1nl; W21l - W2nl linke Teilleiter von W1 bzw. W2
W11r - W1nr; W21r - W2nr rechte Teilleiter von W1 bzw. W2
x Ordinate von Fig. 3, Wegstrecke von 4.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung der elektrischen Stromverteilung I(x) innerhalb mindestens eines Leiters (W1, W2) einer elektrischen Maschine (1), welcher in einer Nut (4) dieser elektrischen Maschine (1) angeordnet ist, welche Nut (4) eine Breite (b) aufweist, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die magnetische Flußdichte (B) in der Nut (4) der elektrischen Maschine (1) mittels mindestens einer Magnetfeldsonde (M1, M2) erfaßt, in Abhängigkeit davon die magnetische Feldstärke (H) berechnet und diese
• b) mit der Breite (b) der Nut (4) multiplikativ verknüpft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die mindestens eine Magnetfeldsonde (M1, M2) in der Nut (4) in radialer Richtung der elektrischen Maschine (1) verschoben und
• b) in Abhängigkeit von der Verschiebung die magnetische Feldstärke (H) erfaßt wird.

3. Vorrichtung zur Erfassung der elektrischen Stromverteilung I(x) innerhalb mindestens eines Leiters (W1, W2) einer elektrischen Maschine (1), welcher in einer Nut (4) dieser elektrischen Maschine (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Magnetfeldsonde (M1, M2) in der Nut (4) zwischen dem mindestens einen Leiter (W1, W2) und einer Nutwand angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Magnetfeldsonden (M1, M2) in einem einstellbaren gegenseitigen Mittenabstand (d) beweglich zwischen dem mindestens einen Leiter (W1, W2) und der Nutwand angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Magnetfeldsonde (M1, M2) in radialer Richtung der elektrischen Maschine (1) beweglich angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Magnetfeldsonde (M1, M2) in einer Aussparung eines elektrisch isolierenden Sondenhalters (6) untergebracht ist, der beweglich in einem bezüglich der elektrischen Maschine (1) radialen Sondenkanal (17) innerhalb der Nut (4) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Leiter (W1, W2) mehrere gegenseitig isolierte und verdrillte Teilleiter (W1nl, W1nr; W2n1, W2nr) aufweist.