WO2002089295A1 - Electrical machine - Google Patents

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WO2002089295A1
WO2002089295A1 PCT/EP2002/004619 EP0204619W WO02089295A1 WO 2002089295 A1 WO2002089295 A1 WO 2002089295A1 EP 0204619 W EP0204619 W EP 0204619W WO 02089295 A1 WO02089295 A1 WO 02089295A1
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pole
rotor
stator
air gap
losses
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Application number
PCT/EP2002/004619
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Inventor
Klaus Reppe
Original Assignee
Voith Siemens Hydro Power Generation Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, in particular a salient pole machine.
  • Such machines have a stator and a rotor. Pole shoes are assigned to the rotor. The pole pieces carry a field winding to generate a magnetic field in the air gap. Armature windings are provided in the fixed stator.
  • the contour of the pole shoes in a salient pole machine is generally designed in such a way that an almost sinusoidal induction curve prevails in the air gap when idling.
  • the invention has for its object to design a salient pole machine in such a way that the aforementioned lion heart losses are reduced or avoided, and that the required excitation current can be calculated more precisely.
  • the pole shoes - seen in an axis-perpendicular section - are designed in such a way that the air gap increases in the direction of rotation of the rotor. The maximum value is therefore on the force application side.
  • pole shoe shape can be designed from the outset in such a way that the optimum induction results at nominal load.
  • the invention has another advantage. Since the amplitude of the voltage lies approximately in the center of the pole, ie in the main magnetic axis, the stability improves. The excitation winding is no longer exclusively in the magnetic longitudinal axis of the pole piece.
  • the invention can also be used in hydropower plants with pump turbines. In motor operation, the direction of rotation is reversed compared to generator operation. However, what is not reversed is the direction of the torque, which is determined solely by the asymmetrical pole shoes according to the invention.
  • the invention provides the following advantages:
  • the field curve at nominal load can be adapted to the ideal shape.
  • Generators according to the invention can also be used in pump turbines, regardless of the change in the direction of rotation.
  • Figure 1 illustrates an asymmetrical pole piece with associated
  • Figure 2 illustrates a conventional pole piece with associated
  • FIG. 3 illustrates the course of the losses in the stator winding through the tooth relief field over the load, specifically for inventive and conventional pole pieces.
  • Figure 4 is a performance diagram showing the static and dynamic stability in asymmetric and conventional pole pieces.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

The invention relates to a salient pole synchronous machine comprising a stator and a rotor, which form an air gap between them. The stator or the rotor have pole shoes that support field windings. The invention is characterized by the following feature: the pole shoes are, when viewed in an axially vertical section, structured so that the air gap enlarges in the rotational direction of the rotor.

Description

Elektrische Maschine Electrical machine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Schenkelpolmaschine.The invention relates to an electrical machine, in particular a salient pole machine.
Solche Maschinen weisen einen Stator und einen Rotor auf. Dem Rotor sind Polschuhe zugeordnet. Die Polschuhe tragen eine Feldwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Erregerfeldes im Luftspalt. Im feststehenden Stator sind Ankerwicklungen vorgesehen.Such machines have a stator and a rotor. Pole shoes are assigned to the rotor. The pole pieces carry a field winding to generate a magnetic field in the air gap. Armature windings are provided in the fixed stator.
Die Kontur der Polschuhe ist bei einer Schenkelpolmaschine im allgemeinen derart gestaltet, daß im Luftspalt bei Leerlauf ein nahezu sinusförmiger Induktionsverlauf herrscht.The contour of the pole shoes in a salient pole machine is generally designed in such a way that an almost sinusoidal induction curve prevails in the air gap when idling.
Es ist bekannt, daß die Induktion bei Nennlast (= Wirklast) größer ist, als bei Leerlauf. Unter Last muß aber mit Zahn- und Rotorpolsättigung im Bereich der Um- fangskraftbildung gerechnet werden. Dies führt zu erhöhten Verlusten in der Statorwicklung sowie zu den sogenannten Löwenherzverlusten mit dem Zahnentlastungsfeld als Ursache. Aufgrund der Sättigung ist außerdem die Berechnung des Erregerstromes mit Unsicherheiten behaftet.It is known that the induction at nominal load (= active load) is greater than at idle. Under load, however, tooth and rotor pole saturation in the area of circumferential force formation must be expected. This leads to increased losses in the stator winding and to the so-called lion heart losses with the tooth relief field as the cause. Due to the saturation, the calculation of the excitation current is also subject to uncertainties.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schenkelpolmaschine derart zu gestalten, daß die genannten Löwenherzverluste verringert oder vermieden werden, und daß sich der erforderliche Erregerstrorrfgenauer berechnen läßt.The invention has for its object to design a salient pole machine in such a way that the aforementioned lion heart losses are reduced or avoided, and that the required excitation current can be calculated more precisely.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß werden die Polschuhe - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert. Der Größtwert befindet sich somit an der Kraftangriffsseite.This object is solved by the features of claim 1. Accordingly, the pole shoes - seen in an axis-perpendicular section - are designed in such a way that the air gap increases in the direction of rotation of the rotor. The maximum value is therefore on the force application side.
Der Erfinder hat folgendes erkannt: Beim Übergang vom Leerlauf zur Nennlast tritt an einer Seite des Polschuhes - in Umlaufrichtung des Rotors gesehen - eine starke Erhöhung der Induktion auf. Dabei handelt es sich um jene Seite des Pol- schuhes, an der die drehmomentbildende Kraft angreift. Wird der Polschuh aber gemäß der Erfindung asymmetrisch gestaltet, daß sich der Luftspalt - in Umfangs- richtung des Rotors gesehen - einseitig aufweitet, so wird die Induktion über dem Schenkelpolschuh vergleichmäßigt. Dadurch wird von der magnetischen Kraft - genauer gesagt von deren Tangentialkomponente - bereits etwa die Hälfte des Drehmomentes gebildet.The inventor recognized the following: During the transition from idling to the nominal load, a significant increase in the induction occurs on one side of the pole shoe, as seen in the direction of rotation of the rotor. This is the side of the pole shoe on which the torque-generating force acts. However, if the pole piece is designed asymmetrically in accordance with the invention so that the air gap - seen in the circumferential direction of the rotor - widens on one side, the induction above the salient pole piece is made more uniform. As a result, about half of the torque is already formed from the magnetic force - more precisely from its tangential component.
Man könnte die genannte erfindungsgemäße Maßnahme mit der Flügelverstellung von Windrotoren vergleichen. Analog hierzu könnte daran gedacht werden, auch die Pole beziehungsweise deren geometrische Konfiguration veränderbar zu machen und der jeweiligen Belastung anzupassen. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig, da viele elektrische Maschinen bei ständig gleichbleibender Nennlast laufen, zum Beispiel Generatoren von Wasserkraftanlagen. Deshalb kann die Polschuhform von vornherein derart gestaltet werden, daß sich bei Nennlast die optimale Induktion ergibt.One could compare the measure according to the invention mentioned with the wing adjustment of wind rotors. Analogously, it could be considered to make the poles or their geometric configuration changeable and to adapt them to the respective load. However, this is generally not necessary, since many electrical machines run at constant nominal loads, for example generators from hydropower plants. Therefore, the pole shoe shape can be designed from the outset in such a way that the optimum induction results at nominal load.
Die Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil. Da die Amplitude der Spannung etwa in der Polmitte, also in der magnetischen Hauptachse liegt, verbessert sich die Stabilität. Die Erregerwicklung liegt dabei nicht mehr ausschließlich in der magnetischen Längsachse des Polschuhs.The invention has another advantage. Since the amplitude of the voltage lies approximately in the center of the pole, ie in the main magnetic axis, the stability improves. The excitation winding is no longer exclusively in the magnetic longitudinal axis of the pole piece.
Die Erfindung läßt sich auch bei Wasserkraftanlagen mit Pumpenturbinen anwenden. Bei Motorbetrieb kehrt sich nämlich die Drehrichtung gegenüber dem Generatorbetrieb um. Was sich jedoch nicht umkehrt, ist die Richtung des Drehmomen- tes, die allein durch die erfindungsgemäßen asymmetrischen Polschuhe vorgegeben ist.The invention can also be used in hydropower plants with pump turbines. In motor operation, the direction of rotation is reversed compared to generator operation. However, what is not reversed is the direction of the torque, which is determined solely by the asymmetrical pole shoes according to the invention.
Der Gedanke asymmetrischer Polschuhe konnte bisher deshalb nicht aufkommen, weil der Fachmann dabei nur Nachteile sehen mußte. Das Problem trat auch erst auf, als man die Maschinen immer höher ausnutzte, das heißt mit höherem Induktionsbetrieb. Tatsächlich ist das Verhalten einer Maschine mit asymmetrischen Polschuhen im Leerlauf ungünstiger, da die Spannungskurve durch die Asymmetrie ungünstiger wird und da im Leerlauf Löwenherzverluste auftreten. Entscheidend ist jedoch, daß bei Nennlast die Verluste minimiert werden und damit der Betrieb optimal wird. Man könnte somit bei der erfindungsgemäßen a- symmetrischen Polschuhform von einer Lastfall-optimierten Form sprechen.So far, the idea of asymmetrical pole pieces could not arise because the expert only had to see disadvantages. The problem only appeared when the machines were used more and more, i.e. with higher induction operation. In fact, the behavior of a machine with asymmetrical pole pieces is less favorable when idling, because the voltage curve becomes less favorable due to the asymmetry and because lion heart losses occur during idling. It is crucial, however, that the losses are minimized at nominal load and thus the operation is optimal. One could speak of a load case-optimized shape in the asymmetrical pole shoe shape according to the invention.
Zusammenfassend ergibt die Erfindung die folgenden Vorteile:In summary, the invention provides the following advantages:
(1 ) Die Löwenherzverluste (Längsfeld-Verluste) in der Ständerentwicklung entfallen bei Nennlast fast vollständig.(1) The lion heart losses (longitudinal field losses) in the stator development are almost completely eliminated at nominal load.
(2) Die stromabhängigen Verluste in der Polschuh-Oberfläche durch endliche Nutzahl gehen bei Nennlast auch deutlich zurück.(2) The current-dependent losses in the pole shoe surface due to finite number of uses also decrease significantly at nominal load.
(3) Die Polhörner werden bei Nennlast von extremer Sättigung entlastet; damit läßt sich der Erregerstrom genauer berechnen.(3) The pole horns are relieved of extreme saturation at nominal load; this allows the excitation current to be calculated more precisely.
(4) Die statische und dynamische Stabilität sind bei Nennlast größer, als bei konventionellen Polschuhen, bei gleichem Erregerstrom.(4) The static and dynamic stability are greater at nominal load than with conventional pole pieces with the same excitation current.
(5) Die Feldkurve bei Nennlast läßt sich an die Idealform anpassen.(5) The field curve at nominal load can be adapted to the ideal shape.
(6) Es lassen sich erfindungsgemäße Generatoren auch bei Pumpenturbinen anwenden, ungeachtet der Änderung der Drehrichtung.(6) Generators according to the invention can also be used in pump turbines, regardless of the change in the direction of rotation.
Die Erfindung und der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläu- tert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:The invention and the prior art are explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:
Figur 1 veranschaulicht einen asymmetrischen Polschuh mit zugehörendemFigure 1 illustrates an asymmetrical pole piece with associated
Induktionsdiagramm.Induction chart.
Figur 2 veranschaulicht einen konventionellen Polschuh mit zugehörendemFigure 2 illustrates a conventional pole piece with associated
Induktionsdiagramm. Figur 3 veranschaulicht den Verlauf der Verluste in der Ständerwicklung durch das Zahnentlastungsfeld über der Last, und zwar für erfin- dungsgemäße und für konventionelle Polschuhe.Induction chart. FIG. 3 illustrates the course of the losses in the stator winding through the tooth relief field over the load, specifically for inventive and conventional pole pieces.
Figur 4 ist ein Leistungsdiagramm, das die statische und dynamische Stabilität bei asymmetrischen und konventionellen Polschuhen wiedergibt. Figure 4 is a performance diagram showing the static and dynamic stability in asymmetric and conventional pole pieces.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schenkelpol-Synchronmaschine;1. salient pole synchronous machine;
1.1 mit einem Stator und einem Rotor, die einen Luftspalt zwischen sich bilden;1.1 with a stator and a rotor, which form an air gap between them;
1.2 der Stator oder der Rotor weisen Polschuhe auf;1.2 the stator or the rotor have pole shoes;
1.3 die Polschuhe tragen Feldwicklungen;1.3 the pole pieces have field windings;
1.4 die Polschuhe sind - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert. 1.4 the pole shoes are - seen in a section perpendicular to the axis - designed such that the air gap increases in the direction of rotation of the rotor.
PCT/EP2002/004619 2001-04-28 2002-04-26 Electrical machine WO2002089295A1 (en)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4573003A (en) * 1983-09-30 1986-02-25 Wisconsin Alumni Research Foundation AC Machine optimized for converter operation
EP0549241A2 (en) * 1991-12-24 1993-06-30 General Electric Company Electrical machines

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE555100C (en) * 1932-07-18 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Asymmetrical pole arrangement for electrical machines with pronounced poles

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4573003A (en) * 1983-09-30 1986-02-25 Wisconsin Alumni Research Foundation AC Machine optimized for converter operation
EP0549241A2 (en) * 1991-12-24 1993-06-30 General Electric Company Electrical machines

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