DE7415588U

DE7415588U - Vorrichtung, insbesondere zur verwendung bei synchronmotoren mit massiven polen

Info

Publication number: DE7415588U
Application number: DE19747415588U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-04-01
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1976-02-12
Also published as: SE7503455L; CH570729A5; FR2266353B1; IT1034640B; NO140952C; NO751033L; GB1449803A; FR2266353A1; DE2421555A1; DE2421555C2; NO140952B; US4028574A; SE403225B

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung bei Synchronmoloren mit massiven Polen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung bei Synchronmotoren mit massiven Polen, zum Schutz der Polklauen gegen Verbrennungen und zur Verbesserung der Anlauf eigenschaften der genannten Motoren, insbesondere zur Verbesserung des Verlaufes des Asynchrondrehmomentes und zur Verringerung des Pendelmomentes.

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Synchronmotoren mit massiven Polen sind bekannt. Diese Motoren sind hinsichtlich ihrer Eigenschaft, die während des Hochlaufs erzeugte Rotorwärme aufzunehmen, vorteilhaft. Sie können grosse Energiemengen während des Anlaufs auf der ganzen Rotoroberfläche als Wärme aufnehmen. Ausserdem erzeugen sie infolge der kleinen Leitfähigkeit des Poleisens ein grosses Anzugsmoment.

Hingegen ist das Aynchronmoment in der Nähe der Synchrondrehzahl manchmal nicht ausreichend. Aus diesem Grund ist die Verwendung dieser Motoren für manche Betriebsfälle, wie beispielsweise für Wiedersynchronisierung bei Last im Anschluss an einen Spannungsunterbruch, unmöglich.

Bei asynchron hochlaufenden Synchronmotoren wird ferner nicht nur ein Asynchronmoment, sondern auch noch ein unerwünschtes Pendelmoment von beträchtlicher Amplitude erzeugt, wodurch das gesamte Drehmoment um den Wert des Asynchronmoments mit der doppelten Schlupffrequenz pulsiert (siehe : "Anlaufverfahren bei Synchronmaschinen, Brown, Boveri Mitteilungen, Band 54, Nr₁, 9, Seiten 618-619). Dieses hauptsächlich von der elektrischen Anisotropie des Rotors hervorgerufene Pendelmoment bedeutet für die Motorwelle, die Kupplungen und die anderen an

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diese angeschlossenen Wellen eine zusätzliche Beanspruchung, welche unter Umständen gefährlich werden kann.

Bei der Konstruktion der massiven Pole ohne Polverbindungen muss ferner der Effekt der "Klauenverbrennungen" berücksichtigt werden. Die durch das sich zeitlich ändernde Querfeld an der Poloberfläche induzierten Ströme fliessen entlang des Pfades des kleinsten Widerstandes, häufig von einem Pol zum andern, über die KlauenjUnd verursachen "Klauenverbrennungen¹¹, (s. "Anlauf und Lauf ruhe schnell laufender Pumpengruppen'¹ von K. Abegg, Bulletin SEV 56, 1965, 10, 15. Mai).

Die Nachteile der massiven Pole sind also :

a. ungünstiger Drehmomentverlauf in der Nähe der Synchrondrehzahl,

b. grosses Pendelmoment,

c. Gefahr der Klauenverbrennungen.

Diese Nachteile konnten bis jetzt wenn nötig durch Anbringen von beidseitigen Dämpferringen oder durch Polverbindungen teilweise beseitigt werden. Jedoch ist das Anbringen der Dämpferringe mit verschiedenen konstruktiven und betrieblichen Schwierigkeiten verbunden :

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a. Wärmedehnungen, die eine elastische Verbindung von Pol zu Pol bedingen,

b. Verschlechterung der Kühlverhältnisse durch teilweises Abdecken der Pollücken,

c. Schwierigkeiten bei der Demontage der Pole.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Vorbekannten zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Verwendung bei Synchronmotoren mit massiven Polen zu schaffen, die die Anlauf eigenschaften dieser Motoren verbessert und deren Polklauen gegen Verbrennungen schützt und die ferner eine Konstruktion hat, die einfach und billig ist und einen sicheren und störungsfreien Betrieb gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe einer Vorrichtung gelöst, die gekennzeichnet ist durch wenigstens je einen an beiden Seiten der Pole unterhalb des Polschuhs angeordneten Leiter, welcher mit dem Pol derart elektrisch verbunden ist, dass er als Leitungsweg für die an der Poloberfläche durch das sich zeitlich ändernde Querfeld induzierten Ströme dient und das Schliessen der genannten Ströme um das Querfeld herum bewirkt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist eine Schutz- und Anlauf-

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wicklung, die hauptsächlich in der Querachse wirkt, jedoch keine Verbindung von Pol zu Pol benötigt. Diese "Querwicklung¹¹ bietet für die an der Poloberfläche während des Anlaufs induzierten Ströme einen besseren Weg, um sich um das Querfeld herum zu schliessen, sodass diese nicht mehr von Pol zu Pol über die Klauen fliessen müssen. Sie bildet zudem einen parallelen Kreis zur massiven Poloberfläche und verbessert dadurch den Verlauf des Asynchronmomentes bei kleinen Schlupfwerten und verkleinert das Pendelmoment, ohne dass sie die positiven Eigenschaften der massiven Pole bei grossen Schlupfwerten beeinträchtigt.

Nachstehend werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt :

Fig. 1 eine Vorderansicht eines herkömmlichen massiven Poles mit Polschuh, Polkern, Klauen und den Feldlinien des Querfeldes :

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Rotors mit vier massiven Polen nach Fig. 1, wobei die möglichen Pfade a und b der Ströme dargestellt sind )

Fig. 3 eine Vorderansicht eines massiven Poles, unter dessen Polschuhkanten Leiterstäbe rechteckigen Querschnittes nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind j

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Fig. 4 eine der Ansicht der Fig. 3 ähnliche Ansicht eines massiven Poles mit Leiterstäben L-förmigen Querschnittes nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung j

Fig. 5,6,7 Anordnungen der Leiterstäbe an den Seitenflächen des Polkerns nach einer dritten, vierten und fünften Ausführungsform der Erfindung j

Fig. 8 eine der Ausführungsform nach Fig. 3 ähnliche Ausführungsform, wobei der Polschuh in seiner Mitte einen axial verlaufenden zusätzlichen, gut leitenden Stab rechteckigen Querschnittes aufweist j

Fig. 9 eine der Ausführungsform nach Fig. 8 ähnliche Ausführungsform, bei welcher der zusätzliche, gut leitende Stab einen kreisförmigen Querschnitt aufweist ;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Schaltanordnung für den Anlauf eines gewöhnlichen Synchronmotors j

Fig. 11 den Verlauf des Asynchronmomentes m_a und des Pendelmomentes m bei einem gewöhnlichen Synchronmotor mit massiven Polen ohne Querwicklung während seines mittels der Schaltanordnung nach Fig. 10 durchgeführten Anlaufs ;

Fig. 12 eine Schaltanordnung für den Anlauf eines Synchronmotors mit massiven Polen, der die erfindungsgemässe Querwicklung aufweist _} und

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Fig. 13 den Verlauf des Asynchronmomentes m_ und- des Pendel"

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momentes m bei einem Synchronmotor mit massiven Polen, der die erfindungsgemässe Querwicklung nach einer der AusführungsfοΓητίλ nach den Fig. 8 und 9 aufweist, während seines mittels der Schaltanordnung nach Fig. 12 durchgeführten Anlaufs.

Die Fig. 1 zeigt den Pol 1 mit dem Polschuh 2, dem Polkern 3, den Polklauen 4 und den Feldlinien 7 des Querfeldes (JL (anregendes Feld ohne Rotorrückwirkung). Wie ersichtlich verbleibt der grösste Teil des Feldes im Polschuh 2. Aendert sich das Querfeld φ zeitlich, so werden an der Polschuhoberfläche 5 Ströme induziert, die sich um das Feld herum schliessen. Diese Ströme folgen dem Weg des kleinsten Widerstandes und können einen der Pfade a oder b einschlagen, die zum Teil in Fig. 1, jedoch in Fig. 2 besser ersichtlich sind. In den Figuren bezeichnet das Symbol 8 eine Stromrichtung, die aus der Tafel herauskommt, und das Symbol 9 eine Stromrichtung, die in die Tafel hineingeht.

Wenn der Pfad a derjenige des kleineren Widerstandes ist, strömt der Strom bei 8 aus dem Polschuh 2 heraus und fliesst an der vorderen Stirnfläche des Folschuhs 2 zur Polschuhkante 6. Bei 9 fliesst der Strom axial unter der Polschuhkante 6 zur hinteren

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Stirnfläche des Polschuhs 2 und dam* an der hinteren Stirnfläche des Polschuhs 2 zur Polschuhoberfläche 5 und letztlich axial entlang der Polschuhoberfläche 5 nach vorn zurück zu 8. Damit ist der Kreis geschlossen.

Wenn hingegen der Pfad b derjenige des kleineren Widerstandes ist* strömt der Strom bei 8 aus dem Polschuh 2 heraus und fliesst an der vorderen Stirnfläche des Poles 1 in Richtung der Klaue 4. Von hier fliesst der Strom zur Klaue 4 des benachbarten Poles IB und an dessen vorderer Stirnfläche zur Polschuhoberfläche 5. Bei 8B fliesst der Strom axial entlang der Polschuhoberfläche 5 zur hinteren Stirnfläche des Poles IB, dann an dieser zur Klaue 4 desselben Poles, von hier hinüber zur Klaue 4 des Poles 1, dann an der hinteren Stirnfläche des Poles 1 zu dessen Polschuhoberfläche 5 und letztlich axial entlang dieser Polschuhoberfläche nach vorn zurück zu 8. Damit ist dieser Kreis geschlossen.

Wenn der Strom den Pfad b einschlägt, d.h. wenn der Pfad b über die Polkerne 3 und die Klauen 4 viel weniger Widerstand hat als der Pfad a, kann ein grosser Strom von einem Pol 1 zum andern Pol IB über die Klauen fHessen und Verbrennungen verursachen.

Die Figuren 3 bis 9 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, die die genannten Verbrennungen dadurch vermeiden, dass mittels einer Querwicklung der Pfad a zum Pfad des kleineren Widerstandes gemacht wird.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung besteht die Querwicklung aus zwei gut leitenden Stäben 10, von denen jeder unter einer Polschuhkante 6 in Längsrichtung des Poles I verläuft und mit dem Polschuh 2 elektrisch verbunden ist. Die an der Poloberfläche 5 induzierten Querfeld-Ströme werden über die genannten Stäbe 10, die beispielsweise über die Abschnitte Ii mit den Stirnflächen des Polschuhs 2 durch Schweissen, Hartlöten oder Presskontakt mechanisch und elektrisch verbunden sein können, unter den Polschuhkanten 6 in Axialrichtung der Maschine zurückgeleitet, sodass die Ströme um das Querfeld herum schliessen können. Die Stäbe 10 sitzen unter den Polschuhkanten 6 ohne Isolation direkt am Eisen des Polschuhs 2. Die Ströme schlagen also den Weg a ein, da infolge der Anwesenheit des gut leitenden Stabes 10 dieser der Weg niedrigeren Widerstandes ist. Die Stäbe 10 ersetzen die Polverbindungen bzw. die Dämpferringe und schützen die Klauen. Bei dieser Ausführungsform besteht der Dämpferkreis der Querachse q-q (Fig. 1) eigentlich aus zwei in Serie geschalteten Teilen, nämlich der Poloberfläche 5

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als erstem Leiter aus Eisen und der Rückführung über die unter den Polschuhkanten 6 angeordneten gut leitenden Stäbe 10 ais zweitem Leiter. Die Anlauf energie in der Querachse q-q wird also wiederum an der Poloberfläche 5 in dem grossen Wirbelstromwiderstand des Eisens in Wärme umgesetzt. Aus diesem Grund sind die Anlauf eigenschaften einer Synchronmaschine mit dieser Anordnung denjenigen einer Synchronmaschine mit Dämpferringen praktisch gleich. Der Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung ist jedoch, dass die für die Lüftung nachteiligen Ringe wegfallen und die Pole bei Demontagen einzeln herausgezogen und gewechselt werden können. Deshalb können die Stäbe 10 bei dieser Ausführungsform über die Abschnitte 11 an der Stirnseite der Polschuhe 2 befestigt werden, beispielsweise durch Hartlötung, ohne dass dadurch die Einzeldemontage der Pole beeinträchtigt wäre.

Die in den Figuren 4>5,6,7 dargestellten Ausführungsformen entsprechen im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 3 j dabei sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Stäbe 1OL von L-förmigem Querschnitt und unterhalb der Polschuhkanten 6 angeordnet, wogegen bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5, 6 und 7 die Stäbe 10 rechteckigen Querschnittes und an den Sei-

tenflächen des Polkerns 3 in direktem Kontakt mit diesem angeordnet sind.

Bei den in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen ist der Polschuh 2 mit einer in seiner Mitte in Axialrichtung verlaufenden tiefen Nut 12 mit rechteckigem bzw. kreisförmigem Querschnitt ausgestattet. Gegebenenfalls können mehrere solcher parallel zueinander angeordnete Nuten vorgesehen sein. Ein oder mehrere gut leitende Stäbe 13 sind in der Nut 12 angeordnet und mit unter den Polschuhkanten 6 angeordneten flachen Stäben 10 elektrisch verbunden. Somit bilden die flachen Stäbe 10 einerseits untereinander eine Wicklung in der Längsachse, wie dies bei Synchronmaschinen mit unter den Polschuhen angeordneten Gleitrahmen der Fall ist, und anderseits mit den Stäben 13 in der Polmitte eine Wicklung in der Querachse. Die Stäbe 13 sollen in der Polmitte unterhalb der Poloberfläche 5 liegen. Dadurch wird erreicht, dass die massiven Pole vom Stillstand bis 80-90% Nenndrehzahl ihre günstigen Eigenschaften fast unvermindert beibehalten. Bei höheren Drehzahlen treten die Wicklungen 10, 13 mit dem Eindringen des resultierenden Wechselfeldes in Aktion und vergrössern das Asynchronmoment in beträchtlichem Mass.

Die erfindungsgemässe Querwicklung bewirkt eine elektrische

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Symmetrierung der beiden Achsen d-d und q-q. Aus diesem Grund wird durch diese auch eine Herabsetzung des Pendelmomentes erreicht.

Die Fig. 10 zeigt eine Schaltanordnung, die für den Anlauf eines gewöhnlichen Synchronmotors 14 mit massiven Polen ohne Dämpferringe und ohne Querwicklung angenommen wurde. Aufgrund dieser Schaltanordnung wurden die in Fig. 11 dargestellten Drehmomente berechnet. Der Motor 14 ist an ein Netz 15 mit einer Netzreaktanz X und einer Netzspannung U angeschlossen. Die Netzreaktanz X beträgt 2% der Nennimpedanz Z_M des Motors, d.h. X= -»-τ™ Z_M, und die Netzspannung U beträgt 100% der Nennspannung des Motors, d.h. U = U,,. Im Feldkreis 16 ist der Feldwiderstand durch r* und der Anlaufwiderstand durch Δτ, bezeichnet. Die Berechnung der Drehmomente wurde für zwei Fälle durchgeführt und zwar :

Fall 1 : <Ar_f = Sr_f, und

Fall 2 : idr_f * 0 (Feldkreis kurzgeschlossen).

Die entsprechenden Drehmomentkurven sind in der Fig. 11 dargestellt. Hier (wie auch in Fig. 13) bedeuten :

m * Asynchronmoment

m =« Pendelmoment

m +m =» Asynchronmoment + Pendelmoment

m -m * Asynchronmoment - Pendelmoment.

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Die vollausgezogenen Kurven beziehen sich auf den Fall 1, bei welchem der Anlaufwiderstand ^r, im Feldkreis 16 den 9-fachen Wert des Feldwiderstandes r, beträgt, d.h. Ar* *9r_{.

Die gestrichelten Drehmoment-Kurven hingegen beziehen sich auf den Fall 2, wobei der Feldkreis 16 kurzgeschlossen ist, d.h.

* 0.

Die in Fig. 12 gezeigte Schaltanordnung wurde für den Anlauf eines Synchronmotors 14A mit massiven Polen ohne Dämpferringe, jedoch mit der erfindungsgemässen Querwicklung gemäss ! der Ausführungsform nach Fig. 8 oder 9 angenommen. Aufgrund

j dieser Schaltanordnung wurden die in Fig. 13 dargestellten Dreh-

j momente berechnet. Auch in diesem Fall ist der Motor 14A an

ein Netz 15 mit einer Netzreaktanz X und einer Netzspannung U angeschlossen, wobei die Werte von X und U den im Zusammenhang mit Fig. 10 erwähnten Werten gleich sind. Die Berechnung der Drehmomente wurde für den Fall 1 durchgeführt, wobei Ar^ =» 9r_{.

Die Fig. 11 und 13 zeigen deutlich, dass beim gewöhnlichen Synchronmotor das Asynchronmoment bei ansteigender Drehzahl fällt, wogegen dieses beim erfindungsgemäss ausgebildeten Synchronmotor

bei ansteigeader Drehzahl allmählich ansteigt. Dazu beträgt das Pendelmoment beim erfindungsgemässen Motor nur etwa die Hälfte des beim gewöhnlichen Synchronmotor auftretenden Pendelmoments, Bei gleichen Anlauf bedingungen können also mit der Anordnung nach Fig. 8 oder 9 beträchtliche Verbesserungen der Anlaufeigenschaften des Synchronmotors erzielt werden. Für die Anordnung nach den Fig. 3 bis 7 wurden keine besonderen Berechnungen durchgeführt. Jedoch leuchtet es ein, dass im Vergleich mit dem gewöhnlichen Synchronmotor auch diese Ausführungsformen bedeutende Vorteile ergeben.

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Claims

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1. Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung bei Synchronmotoren mit massiven Polen, zum Schutz der Polklauen gegen Verbrennungen und zur Verbesserung der Anlaufeigenschaften der genannten Motoren, insbesondere zur Verbesserung des Verlaufs des Asynchrondrehmoments und zur Verringerung des Pendelmoments, gekennzeichnet durch wenigstens je einen an beiden Seiten der Pole unterhalb des Polschuhs angeordneten Leiter (10), welcher mit dem Pol (1) elektrisch verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter gut leitende Stäbe (10, 10L) aufweisen, von denen wenigstens einer unter jeder Polschuhkante (6) in Längsrichtung des Poles (1) verläuft und in direktem Kontakt mit diesem angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (10) über Verlängerungen (11) an der Stirnseite der Pole (1) befestigt sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dasa die Querschnitte der Stäbe (10, 10L) die Form eines Rechtecks oder eines L aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter gut leitende Stäbe (10) aufweisen, von denen mindestens je einer an jeder Seitenfläche des Polkerns (3) in direktem Kontakt mit diesem angeordnet ist und in Längsrichtung des Poles (I) verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (2) wenigstens eine in Längsrichtung des Poles (1) verlaufende Nut (12) aufweist, dass in jeder Nut (12) wenigstens ein in Längsrichtung des Poles (I) verlaufender zusätzlicher, gut leitender Stab (13) angeordnet is*, der mit den erstgenannten gut leitenden Stäben (10) elektrisch verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) und der Stab (13) einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.