DE4432963C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen MaschineInfo
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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.
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.
Priority Applications (3)
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DE4432963A DE4432963C1 (de) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine |
US08/510,311 US5661410A (en) | 1994-09-16 | 1995-08-02 | Method and apparatus for the detection of the current distribution in a conductor of an electric machine |
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DE4432963C1 true DE4432963C1 (de) | 1995-11-30 |
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DE4432963A Expired - Fee Related DE4432963C1 (de) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Stromverteilung in einem Leiter einer elektrischen Maschine |
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US4245181A (en) * | 1979-02-26 | 1981-01-13 | General Electric Company | Method and apparatus for generating an air gap flux signal for an AC machine from AC line voltage and current values |
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1995
- 1995-08-02 US US08/510,311 patent/US5661410A/en not_active Expired - Fee Related
- 1995-09-14 JP JP7237111A patent/JPH08107654A/ja active Pending
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Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US5661410A (en) | 1997-08-26 |
JPH08107654A (ja) | 1996-04-23 |
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