WO2012119894A2 - Hts-synchronmaschine mit erhöhter läuferstreuung - Google Patents

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WO2012119894A2
WO2012119894A2 PCT/EP2012/053396 EP2012053396W WO2012119894A2 WO 2012119894 A2 WO2012119894 A2 WO 2012119894A2 EP 2012053396 W EP2012053396 W EP 2012053396W WO 2012119894 A2 WO2012119894 A2 WO 2012119894A2
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rotor
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stator
axis
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Theodor Salzmann
Michael Frank
Joachim Frauenhofer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
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    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
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    • H02K3/18—Windings for salient poles
    • H02K3/20—Windings for salient poles for auxiliary purposes, e.g. damping or commutating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a synchronous machine comprising a stator, a rotor rotatable about an axis in or about the stator, a rotor winding comprising a high temperature superconductor (HTSC), a stator winding and a damper winding disposed between the stator winding and the rotor winding.
  • HTSC high temperature superconductor
  • HTS-excited (high-temperature superconductors) synchronous machines of today's design despite their known, advantageous properties such as higher efficiency, higher power density and high overload capacity can not meet the requirements of highly dynamic drives with high overload requirements such as rolling mill drives in a satisfactory manner.
  • Such special requirements arise in so-called reversing roughing mill and finishing mill in hot rolling mills or in so-called “reversing cold rolling mills” with coil to coil reversing cold mill or even with Hauptantrie ⁇ ben conventional tandem arrangements.
  • the requirements relate in particular to the high dynamics for the targeted provision or adjustment of the torque.
  • the structure of the multiple torque is intra ⁇ semi few milliseconds from the idle speed (eg 3x Mrated within a few milliseconds), "impulsive" or a last burst with multiple rated torque (for example, 3x Mrated within a few milliseconds), or a change in load of multiple nominal torque on multiple nominal torque "braking" within a few milliseconds (and vice versa) is required.
  • a build-up (stamping) of a torque-forming stator current component takes place in the q-axis (in the pole gap, 90 ° electrical).
  • the flow in the machine does not change abruptly.
  • the change in the stator current delay is first taken over by the rotor windings, in this case by the damper winding, in the q axis, in accordance with the magnetic coupling of stator and rotor windings.
  • the Polradwinkel 3 begins to réellespannen.
  • the idle time constant of the damper winding is the effective time constant initially.
  • the thereby increasing stator current component in the d-axis is initially taken over by the rotor windings in the d-axis.
  • the control adjusts the excitation current so that the flux remains constant.
  • stator current (the navmomentsenten- the current component) is usually within a few milliseconds ⁇ customers.
  • the flow in the machine does not change abruptly.
  • the change in the stator current compensation is initially taken over by the rotor windings in accordance with the magnetic coupling of stator windings and rotor windings.
  • load angle 3 "transmits" the stator current
  • stator current There is a change in the stator current from motor to generator within a few milliseconds.
  • the process begins as under b).
  • the coupled to the rotor winding current is twice as high.
  • the repercussions on the excitation circuit mentioned under b) are significantly greater, so that in conventional machines transiently even the polarity reversal of the exciter current can occur.
  • the Auftei ⁇ development induced in the rotor winding currents depends on the ratio of the impedances of the damper and field winding.
  • the stator current change is significantly faster than the compensation processes between damper and field winding.
  • the current induced in the rotor winding of the d-axis is divided approximately in the first milliseconds corresponding to the leakage reactances of damper and field winding.
  • the velocities of the starting Polradwinkelterrorism are in first approximation twice as high as in b).
  • the object of the present invention is therefore to provide a synchronous machine that meets the above-mentioned overload requirements in particular a rolling mill. According to the invention, this object is achieved by a synchronous machine with
  • a rotor winding comprising a high-temperature superconductor
  • stator winding and - A damper winding which is arranged between the stator winding and the rotor winding, wherein
  • the leakage reactance of the rotor winding in the d-axis (radial direction) is significantly larger, in particular at least twice as large as the leakage reactance of the damper winding in the d-axis (radial direction).
  • the leakage reactance of the rotor winding (field winding) in the radial direction is at least twice as large as the leakage reactance of the damper winding in the d-axis or a multiple thereof.
  • the rotor winding has a greater axial extent than the stator winding.
  • the rotor winding is either as such axially longer than the stator winding or at least the Wickelköp ⁇ fe of the rotor winding extended axially with respect to conventional machines in which the rotor is generally axially shorter than the stator.
  • the leakage reactance of the rotor is increased by the axial extension of the rotor winding.
  • a ballast choke is connected in series with the rotor winding. Also this choke has the purpose to the leakage reactance magnification ßern ⁇ .
  • the ballast can be realized for example by the Zu ⁇ line of the rotor winding when the leads span a corresponding area.
  • a special throttle which is integrated into the interior of the rotor.
  • the stator has a laminated core with an axial first length and the rotor one Supporting structure, which carries the rotor winding, with an axial second length, wherein the first length is substantially equal to the second length.
  • the support structure may be gebil ⁇ det of a magnetically highly conductive material, in particular of iron in an advantageous manner. This rotary iron is then assigned to the cold part of the HTSC machine.
  • the axial extent of the damper winding essentially corresponds to that of the support structure of the rotor. This means that the damper winding tightly encloses the rotor structure so that the damper winding is well coupled with the main field.
  • a synchronous machine shown above is set in a rolling mill as a drive. There, it can meet the typical overload requirements rather than conventional machines.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the longitudinal section of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a plan view of the rotor pole of FIG. 4
  • FIG 6 is a longitudinal section through an inventive Syn ⁇ chronmaschine
  • FIG. 7 shows a plan view of the rotor pole of FIG. 6 and FIG. 8 shows a longitudinal section through a rotor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a rotor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 The longitudinal section through a known HTSC synchronous machine illustrated in FIG. 1 shows a stator iron or stator laminated core 1.
  • a stator winding 2 air gap winding
  • the stator with the stator core 1 and the stator winding 2 is formed as a hollow cylinder and has a longitudinal axis 3.
  • a rotor which has a rotor iron 4 rotates.
  • the rotor iron 4 has distinct pole cores around which the HTS windings 5 are arranged. Outside the rotor iron 4 is usually surrounded by a damper winding 6 (damper screen). The damper winding 6 does not lie directly against the rotor iron 4.
  • the damper winding 6 is rotatably connected to the rotor iron 4.
  • the corresponding torque transmission takes place here by insulating elements 8, which are arranged on the front side of the rotor ⁇ iron 4.
  • the HTSC synchronous machine of Figure 1 is shown in cross-section ⁇ .
  • the concentric circles from outside to inside represent the stator core 1, the stator winding 2, the air gap 9 and the damper winding 6.
  • the rotor iron 4 Within the damper winding 6 is the rotor iron 4 with four poles 40 here.
  • Each pole 40 has a corresponding HTS winding 5
  • the mid-perpendicular of a rotor or HTS winding 5 corresponds to a d-axis (reference d) which extends in the radial direction of the rotor and forms the center of a pole 40.
  • a q-axis loading numeral q
  • FIG. 3 shows the equivalent circuit diagram of a synchronous machine according to FIGS. 1 and 2.
  • An ohmic resistance R s of the stator winding 2 is connected in series with a leakage reactance X so of the stator winding.
  • main reactance X Sh of the stator winding 2 main reactance X h of the machine.
  • Parallel to the main reactance X h is a series circuit consisting of the leakage reactance X dG of Dämp ⁇ ferwicklung 6 with the ohmic resistance R d of the damper winding.
  • Also connected in parallel with the main reactance X Sh is a series connection of a leakage reactance X eo of the excitation winding or rotor winding with an ohmic resistance R e of the exciter winding.
  • the HTSC-excited synchronous machine is deviating and complementary to previously conventional and known designs such that the damper winding 6 (at least one Part of the damper winding) in particular in the d-axis, is well coupled to the main field and the leakage reactance X eo the Erre ⁇ gerwicklung clearly (as many times as possible) is greater than that Leakage reactance X dG of the damper winding 6 in the d-axis.
  • stator core 1 shows accordingly the stator core 1 and the stator winding 2 in a schematic representation.
  • stator winding 2 has a length l sw .
  • the stator laminated core has a length l Sb .
  • St accordingly each have the axial Managerre- ckung (l sw - l sb ) / 2.
  • the support structure 4 for the exciter or rotor winding 5 has an axial length l e t -
  • the exciter or rotor coil 5 itself has a length l ew -
  • the winding ⁇ heads 50 of the rotor winding 5 therefore have an axial extension of (l ew - l et) / 2.
  • the axial extent of the rotor winding 5 is less than that of the stator winding 2.
  • the damper winding has the length l d » , the here, in this exemplary illustration is equal to 1 Sb
  • FIG. 5 shows a rotor pole of the machine of FIG. 4 in plan view. There are good here the end windings 50 of the armature winding ⁇ 5 to recognize which is wrapped around the pole core of the support structure. 4
  • FIGS. 6 and 7. A first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 6 and 7.
  • the structure of the rotor ent ⁇ speaks essentially that of FIG 4 and 5. It is therefore made to the description of these figures. The only difference here is that the winding heads 50 'of the rotor are extended.
  • the entire rotor winding 5 ' has the length l ew' ⁇ This length l ew ' is greater than or equal to the axial length l sw of the stator winding 2.
  • the leakage reactance of the field winding or rotor winding 5' is significantly increased compared to the case of FIG in which the length of the rotor winding 5 is less than that of the stator winding 2.
  • FIG. 7 shows a pole of the synchronous machine from above
  • the extended winding head 50 ' is clearly visible. He wraps around the winding head 50 of FIG 5 significantly more space, so that a significantly higher leakage reactance is given. The leakage reactance is then, for example, by a factor of 2 or more above the leakage reactance of the machine of FIGS. 4 and 5.
  • a second embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the rotor iron or the support structure ⁇ 4 of the rotor, which / carries the rotor winding 5, here has a cavity 41. In this cavity 41, a ballast choke 42 is arranged. It is connected in series with the rotor winding 5. With her and the special arrangement in the cavity or rotor interior increases the
  • a switched the rotor winding 5 in series choke can also be arranged at another location of the Läu ⁇ fers.
  • the supply lines of the rotor windings 5 can also be considered as an on-line choke if they span a corresponding area. Depending on the shape of these leads and thus the leakage reactance of the rotor winding can be increased.

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Abstract

Eine Synchronmaschine soll insbesondere für Anforderungen in Walzprozessen, bei denen quasiperiodische Laststöße und Drehmomentenanforderungen auftreten, optimiert werden. Dazu wird eine Synchronmaschine mit einem Ständer und einem Läufer bereitgestellt, der um eine Achse (3) in oder um den Ständer drehbar ist. Die Synchronmaschine weist außerdem eine Läuferwicklung (5') auf, die aus einem Hochtemperatur Supraleiter gefertigt ist. Sie besitzt zudem eine Ständerwicklung (2) und eine Dämpferwicklung (6), die zwischen der Läuferwicklung (5') und der Ständerwicklung (2) angeordnet ist. Die Streureaktanz der Läuferwicklung (5') in der d-Achse (in radialer Richtung) ist mindestens doppelt so groß wie die Streureaktanz der Dämpferwicklung (6) in der d-Achse (in radialer Richtung).

Description

Beschreibung
HTS-Synchronmaschine mit erhöhter Läuferstreuung
Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit einem Ständer, einem Läufer, der um eine Achse in oder um den Ständer drehbar ist, einer einen Hochtemperatursupraleiter (HTSL) umfassenden Läuferwicklung, einer Ständerwicklung und einer Dämpferwicklung, die zwischen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung angeordnet ist.
HTSL-erregte (Hochtemperatursupraleiter) Synchronmaschinen heutiger Bauart können trotz ihrer bekannten, vorteilhaften Eigenschaften wie höherer Wirkungsgrad, höhere Leistungsdichte und hohe Überlastbarkeit die Anforderungen hochdynamischer Antriebe mit hohen Überlastanforderungen wie beispielsweise bei Walzwerkantrieben nicht in befriedigender Weise erfüllen. Derart spezielle Anforderungen ergeben sich bei so genannten „Reversier-Vorgerüsten" (reversing roughing mill) und bei Fertiggerüsten (finishing mill) in Warmwalzwerken oder bei so genannten „Reversier-Kaltwalzwerken" mit Auf- und Abhaspei (coil to coil reversing cold mill) oder auch bei Hauptantrie¬ ben konventioneller Tandem-Anordnungen. Die Anforderungen betreffen insbesondere die hohe Dynamik zur gezielten Bereitstellung beziehungsweise Einstellung des Drehmoments. Bei¬ spielsweise wird der Aufbau des mehrfachen Drehmoments inner¬ halb weniger Millisekunden aus dem Leerlauf heraus (z.B. 3x Mnenn innerhalb weniger Millisekunden) oder ein Laststoß mit mehrfachem Nennmoment (z.B. 3x Mnenn innerhalb weniger Millisekunden) oder ein Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment „treibend" auf mehrfaches Nennmoment „bremsend" innerhalb we¬ niger Millisekunden (und umgekehrt) gefordert.
Solche Anforderungen können mit heute bekannten Auslegungen und Ausführungen von HTSL-erregten Synchronmaschinen nicht ohne negative, kontraproduktive Auswirkungen auf die Maschine und den Walzprozess erfüllt werden. Solche im Walzprozess quasi periodisch auftretenden Laststöße und Drehmomentanfor- derungen (Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsmoment) wür¬ den sich in unakzeptabler Weise auf den kalten Lauferbereich und die darin befindliche HTSL-Wicklung des Läufers auswir¬ ken. Insbesondere die schnellen Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment „treibend = motorisch" auf mehrfaches Nennmoment „bremsend = generatorisch" (und umgekehrt) führen auch zu ho hen Rückwirkungen (Ankerrückwirkung) im Läufer, besonders in der q-Achse aber auch in der d-Achse (= Achse eines Pols des Läufers, um die eine Erregerwicklung gewickelt ist) .
Die heute bekannten Maßnahmen und Ausführungen eines „Dämpferschirms" beziehungsweise einer „Dämpferwicklung" sind vor nehmlich derart gestaltet und dimensioniert, dass die Rück¬ wirkung (der Durchgriff) von Oberwellen des Umrichters bezie hungsweise des Netzes auf die Erregerwicklung (= HTSL-Wicklung) ausreichend gedämpft werden. Sie sind nicht oder nur unzureichend geeignet, die Rückwirkungen der oben genannten quasi periodisch auftretenden Lastwechsel ausreichend gering zuhalten .
Die oben genannten Anforderungen können bisher in befriedigender Weise nur von meist spezifisch ausgelegten, Umrichter gespeisten, konventionellen, fremderregten Synchronmaschinen (oder Gleichstrommaschinen) erfüllt werden. Konventionelle stromrichtergespeiste Synchronmaschinen für hochdynamische Antriebe mit hohen Überlastanforderungen, insbesondere Walzwerksantriebe, sind heute üblicherweise derart bemessen, das der Lastwinkel (Polradwinkel) für das geforderte Stoßmoment nahe am „Kippwinkel" liegt. Durch den, über die Vektorrege¬ lung eigengetakteten Betrieb der Maschine und eine Erregereinrichtung, die in der Lage ist, den Erregerstrom in etwa mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Polradwinkel än¬ dert, nachzuführen, wird der Fluss in der Maschine konstant gehalten und ein elektrisches „Kippen" der Maschine verhindert . Anschließend wird nun das Betriebsverhalten einer Synchronma¬ schine bei verschiedenen dynamischen Vorgängen näher geschildert : a) Schneller Aufbau des Drehmoments aus dem Leerlauf
Es erfolgt ein Aufbau (Einprägung) einer drehmomentbildenden Ständerstromkomponente in der q-Achse (in der Pollücke; 90° elektrisch) . Der Fluss in der Maschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Ständerstrombelags wird zu- nächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Ständerund Läuferwicklungen von den Läuferwicklungen, in diesem Fall von der Dämpferwicklung, in der q-Achse übernommen. Der Polradwinkel 3 beginnt sich aufzuspannen. Die Leerlaufzeitkonstante der Dämpferwicklung ist die dafür anfangs wirksame Zeitkonstante. Die dabei ansteigende Ständerstromkomponente in der d-Achse wird zunächst von den Läuferwicklungen in der d-Achse übernommen. Über die Regelung wird der Erregerstrom so nachgeführt, dass der Fluss konstant bleibt. Am Ende des Übergangsvorgangs ist der Erregerstrom iE =
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und die Ständerstromkomponente in der d-Achse ist: iSd = is x sin^, in der q-Achse: iSq = is x cos 3. b) Schnelle Entlastung
Es erfolgt ein Abbau des Ständerstroms (der drehmomentbilden- den Stromkomponente) in der Regel innerhalb weniger Millise¬ kunden. Der Fluss in der Maschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Ständerstrombelags wird zunächst ent¬ sprechend der magnetischen Verkopplung von Ständer- und Läuferwicklungen von den Läuferwicklungen übernommen. Abhängig vom vorher vorliegenden Lastwinkel 3 „überträgt" sich der
Wert is x cos 3 in die q-Achse und der Wert is x sin^ in die d-Achse. In der d-Achse liegt parallel zur Dämpferwicklung auch die Erregerwicklung. Damit ergibt sich entsprechend der gemeinsamen Kopplung der Wicklungen und dem Verhältnis der Impedanzen von Dämpfer- und Erregerwicklung eine mehr oder weniger hohe Anfangsstörgröße für die Erregereinrichtung. Der dabei in die Erregerwicklung „eingekoppelte" Strom ist nega¬ tiv und zieht den Erregerstrom in Richtung Null. In dem Maße wie der Dämpferstrom wieder abklingt, geht auch der Lastwinkel wieder gegen Null (Leerlaufzustand) . Über die Regelung wird der Erregerstrom auf den Leerlauferregerstrom zurückgeführt, sodass der (Luftspalt-) Fluss konstant bleibt. c) schneller Lastwechsel von motorisch treibend auf generato¬ risch bremsend
Es erfolgt eine Änderung des Ständerstroms von motorisch auf generatorisch innerhalb weniger Millisekunden. Zunächst beginnt der Vorgang wie unter b) . Der auf die Läuferwicklung eingekoppelte Strom ist jedoch doppelt so hoch. Die unter b) genannten Rückwirkungen auf den Erregerkreis sind deutlich größer, sodass es bei konventionellen Maschinen transient sogar zur Umpolung des Erregerstroms kommen kann. Die Auftei¬ lung der in die Läuferwicklung induzierten Ströme hängt von dem Verhältnis der Impedanzen der Dämpfer- und Erregerwicklung ab. Die Ständerstromänderung ist deutlich schneller als die Ausgleichsvorgänge zwischen Dämpfer- und Erregerwicklung. Dadurch teilt sich in den ersten Millisekunden der in die Läuferwicklung der d-Achse induzierte Strom näherungsweise entsprechend den Streureaktanzen von Dämpfer- und Erregerwicklung auf. Auch die Geschwindigkeiten der einsetzenden Polradwinkelbewegung sind in erster Näherung doppelt so hoch wie bei b) .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Synchronmaschine bereitzustellen, die den oben genannten Überlastanforderungen insbesondere eines Walzwerks gerecht wird . fmdungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Syn- ronmaschine mit
einem Ständer,
einem Läufer, der um eine Achse in oder um den Ständer drehbar ist,
einer einen Hochtemperatursupraleiter umfassende Läufer wicklung,
einer Ständerwicklung und - einer Dämpferwicklung, die zwischen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung angeordnet ist, wobei
- die Streureaktanz der Läuferwicklung in der d-Achse (radialer Richtung) deutlich größer, insbesondere mindestens doppelt so groß ist wie die Streureaktanz der Dämpferwicklung in der d-Achse (radialer Richtung) .
In vorteilhafter Weise ist also die Streureaktanz der Läuferwicklung (Erregerwicklung) in radialer Richtung (d-Achse des üblichen d-q-Koordinatensystems für Polräder) mindestens doppelt so groß wie die Streureaktanz der Dämpferwicklung in der d-Achse beziehungsweise ein mehrfaches davon. Dadurch wird bei einem Lastwechsel ein hoher Anteil von dem in den ersten Millisekunden in die Läuferwicklungen der d-Achse induzierten Strom von der Dämpferwicklung übernommen und nur ein geringerer Anteil in die Erregerwicklung induziert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Läuferwicklung eine größere axiale Ausdehnung als die Ständerwicklung. Damit ist entweder die Rotorwicklung als solche axial länger als die Ständerwicklung oder es sind zumindest die Wickelköp¬ fe der Läuferwicklung axial verlängert gegenüber üblichen Maschinen, bei denen der Läufer in der Regel axial kürzer als der Ständer ist. In vorteilhafter Weise wird durch die axiale Verlängerung der Läuferwicklung die Streureaktanz des Läufers vergrößert .
Bei einer alternativen Aus führungs form wird eine Vorschalt- drossel in Reihe zu der Läuferwicklung geschaltet. Auch diese Vorschaltdrossel hat den Zweck, die Streureaktanz zu vergrö¬ ßern. Die Vorschaltdrossel kann beispielsweise durch die Zu¬ leitung der Läuferwicklung realisiert sein, wenn die Zuleitungen eine entsprechende Fläche aufspannen. Es kann aber auch eine spezielle Drossel eingesetzt werden, die in den In- nenraum des Läufers integriert wird.
Entsprechend einer Ausgestaltung weist der Ständer ein Blechpaket mit einer axialen ersten Länge und der Läufer eine Tragstruktur, die die Läuferwicklung trägt, mit einer axialen zweiten Länge auf, wobei die erste Länge im Wesentlichen gleich der zweiten Länge ist. Damit lässt sich eine sehr kompakte Maschine realisieren.
Die Tragstruktur kann in vorteilhafter Weise aus einem magnetisch gut leitfähigem Material insbesondere aus Eisen gebil¬ det sein. Dieses Rotoreisen ist dann dem kalten Teil der HTSL-Maschine zugeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die axiale Ausdehnung der Dämpferwicklung im Wesentlichen der der Tragstruktur des Läufers. Dies bedeutet, dass die Dämpferwicklung die Läuferstruktur eng umschließt, sodass die Dämpferwicklung mit dem Hauptfeld gut gekoppelt ist.
In einer besonders bevorzugten Anwendung wird eine oben dargestellte Synchronmaschine in einem Walzwerk als Antrieb ein gesetzt. Dort kann sie den typischen Überlastanforderungen eher gerecht werden als konventionelle Maschinen.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Synchronmaschine ge¬ mäß dem Stand der Technik;
FIG 2 einen Querschnitt durch die Synchronmaschine von
FIG 1;
FIG 3 ein Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine mit
Dämpferwicklung gemäß dem Stand der Technik;
FIG 4 eine Prinzipskizze des Längsschnitts von FIG 1;
FIG 5 eine Draufsicht auf den Läuferpol von FIG 4;
FIG 6 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Syn¬ chronmaschine ;
FIG 7 eine Draufsicht auf den Läuferpol von FIG 6 und FIG 8 einen Längsschnitt durch einen Läufer gemäß einer anderen Aus führungs form der vorliegenden Erfindung. Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung dar. Zunächst wird jedoch anhand der FIG 1 bis 5 noch¬ mals der Stand der Technik zum besseren Verständnis der Er- findung erläutert.
Der in FIG 1 dargestellte Längsschnitt durch eine bekannte HTSL-Synchronmaschine zeigt ein Ständereisen beziehungsweise Ständerblechpaket 1. An ihm befindet sich eine Ständerwick- lung 2 (Luftspaltwicklung) . Der Ständer mit dem Ständerblechpaket 1 und der Ständerwicklung 2 ist hohlzylindrisch ausgebildet und besitzt eine Längsachse 3. Um diese Längsachse dreht sich ein Läufer, der ein Läufereisen 4 besitzt. Das Läufereisen 4 weist ausgeprägte Polkerne auf, um die die HTSL-Wicklungen 5 angeordnet sind. Außen ist das Läufereisen 4 in üblicherweise von einer Dämpferwicklung 6 (Dämpferschirm) umgeben. Die Dämpferwicklung 6 liegt dabei nicht direkt an dem Läufereisen 4 an. Vielmehr befindet sich zwischen ihnen üblicherweise ein kleiner Zwischenraum, Spalt 7, durch den die thermische Isolation sichergestellt werden kann. Dennoch ist die Dämpferwicklung 6 drehfest mit dem Läufereisen 4 verbunden. Die entsprechende Drehmomentenübertragung erfolgt hier durch Isolierelemente 8, die stirnseitig an dem Läufer¬ eisen 4 angeordnet sind. Zwischen der Dämpferwicklung 6 und der Ständerwicklung 2 befindet sich der Luftspalt 9 der Synchronmaschine .
In FIG 2 ist die HTSL-Synchronmaschine von FIG 1 im Quer¬ schnitt dargestellt. Die konzentrischen Kreise von außen nach innen stellen das Ständerblechpaket 1, die Ständerwicklung 2, den Luftspalt 9 und die Dämpferwicklung 6 dar. Innerhalb der Dämpferwicklung 6 befindet sich das Läufereisen 4 mit hier vier Polen 40. Jeder Pol 40 besitzt eine entsprechende HTSL- Wicklung 5. Die Mittelsenkrechte einer Läufer- beziehungswei- se HTSL-Wicklung 5 entspricht einer d-Achse (Bezugszeichen d) die in radialer Richtung des Läufers verläuft und die Mitte eines Pols 40 bildet. Demgegenüber verläuft eine q-Achse (Be- zugszeichen q) in radialer Richtung durch eine entsprechende Pollücke. Sie nimmt elektrisch einen Winkel von 90° ein.
FIG 3 zeigt das Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine gemäß den FIG 1 und 2. Ein ohmscher Widerstand Rs der Ständerwicklung 2 ist in Reihe geschaltet mit einer Streureaktanz Xso der Ständerwicklung. Weiter in Reihe damit geschaltet ist die Hauptreaktanz XSh der Ständerwicklung 2 =Hauptreaktanz Xh der Maschine. Parallel zu der Hauptreaktanz Xh befindet sich eine Serienschaltung bestehend aus der Streureaktanz XdG der Dämp¬ ferwicklung 6 mit dem ohmschen Widerstand Rd der Dämpferwicklung. Ebenfalls parallel zu der Hauptreaktanz XSh ist eine Serienschaltung einer Streureaktanz Xeo der Erregerwicklung beziehungsweise Läuferwicklung mit einem ohmschen Widerstand Re der Erregerwicklung geschaltet.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Prinzip näher erläu¬ tert . Bei einer HTSL-erregten Synchronmaschine stellt sich bei Be¬ lastung ein im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine sehr viel kleinerer Lastwinkel (Polradwinkel) ein. Dadurch besitzt sie zunächst eine sehr viel höhere Überlast fähigkeit . Durch den kleineren Lastwinkel sind die bei den vorhin be- schriebenen dynamischen Übergangsvorgängen in der d-Achse
(Wicklungsachse der HTSL-Erregerwicklung; vergleiche FIG 2) wirkenden Stromkomponenten im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine zwar geringer aber dennoch vorhanden. Um die beschriebenen, z.B. bei einem Walzwerksantrieb, quasi periodisch auftretenden dynamischen Lastwechsel mit mehrfachem Nennmoment besser beherrschen zu können, wird erfindungsgemäß die HTSL-erregte Synchronmaschine abweichend und ergänzend zu bisher üblichen und bekannten Ausführungen der- art gestaltet, dass die Dämpferwicklung 6 (zumindest ein Teil der Dämpferwicklung) insbesondere in der d-Achse, gut mit dem Hauptfeld verkoppelt ist und die Streureaktanz Xeo der Erre¬ gerwicklung deutlich (möglichst mehrfach) größer ist als die Streureaktanz XdG der Dämpferwicklung 6 in der d-Achse. Da¬ durch wird bei dem vorhin beschriebenen Lastwechsel ein hoher Anteil von dem in den ersten Millisekunden in die Läuferwicklungen der d-Achse „induzierten" Strom von der Dämpferwick- lung 6 übernommen und nur ein geringer Anteil in die Erregerwicklung 5 „induziert". Dies kann durch mehrere Ausführungs¬ formen realisiert sein, die beispielhaft in den FIG 6 bis 8 skizziert sind. Zunächst wird jedoch nochmals der Aufbau einer bekannten
HTSL-Synchronmaschine in den Skizzen von FIG 4 und 5 prinzi¬ piell dargestellt. Diese Prinzipskizzen zeigen lediglich die wesentlichen elektrischen beziehungsweise magnetischen Komponenten und deuten axiale Abmessungen an.
FIG 4 zeigt dementsprechend das Ständerblechpaket 1 und die Ständerwicklung 2 in prinzipieller Darstellung. In axialer Richtung bezogen auf die Dreh- beziehungsweise Längsachse 3 besitzt die Ständerwicklung 2 eine Länge lsw. Das Ständer- blechpaket besitzt eine Länge lSb . Die Wickelköpfe 20 der
Ständerwicklung 2 besitzen demnach jeweils die axiale Erstre- ckung (lsw - lsb) /2.
In dem Läufer besitzt das Läufereisen beziehungsweise die Tragstruktur 4 für die Erreger- beziehungsweise Läuferwicklung 5 eine axiale Länge let - Die Erreger- beziehungsweise Läuferwicklung 5 selbst besitzt eine Länge lew- Die Wickel¬ köpfe 50 der Läuferwicklung 5 besitzen demnach eine axiale Erstreckung von (lew - let) /2. Die axiale Erstreckung der Läuferwicklung 5 ist geringer als diejenige der Ständerwicklung 2. Die axiale Länge des Ständerblechpakets 1 ist hier genauso gewählt wie die axiale Länge des Läufereisens bzw. der Tragstruktur 4 des Läufers, d.h. lsb = let - Zwischen dem Läufer und dem Ständer befindet sich die Dämpferwicklung 6 (in der Regel montiert an den Läufer; vergleiche FIG 1) . Die Dämpferwicklung besitzt die Länge ld», die hier, in dieser beispielhaften Darstellung gleich ist mit lSb
FIG 5 zeigt einen Läuferpol der Maschine von FIG 4 in der Draufsicht. Es sind hier gut die Wickelköpfe 50 der Läufer¬ wicklung 5 zu erkennen, welche um den Polkern der Tragstruktur 4 gewickelt ist.
Eine erste Aus führungs form der vorliegenden Erfindung ist in den FIG 6 und 7 dargestellt. Der Aufbau des Läufers ent¬ spricht im Wesentlichen demjenigen der FIG 4 und 5. Es wird daher auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen. Der einzige Unterschied besteht hier darin, dass die Wickelköpfe 50' des Läufers verlängert sind. Die gesamte Läuferwicklung 5' besitzt die Länge lew' · Diese Länge lew' ist größer als oder gleichgroß wie die axiale Länge lsw der Ständerwicklung 2. Dadurch wird die Streureaktanz der Erregerwicklung beziehungsweise Läuferwicklung 5' deutlich erhöht gegenüber dem Fall von FIG 4, bei dem die Länge der Läuferwicklung 5 gerin- ger als diejenige der Ständerwicklung 2 ist.
In der Draufsicht von FIG 7, die wiederum einen Pol der Synchronmaschine von oben zeigt, ist der verlängerte Wickelkopf 50' gut zu erkennen. Er umschließt gegenüber dem Wickelkopf 50 von FIG 5 deutlich mehr Raum, sodass eine deutlich höhere Streureaktanz gegeben ist. Die Streureaktanz liegt dann beispielsweise um den Faktor 2 oder mehr über der Streureaktanz der Maschine von FIG 4 und 5. Eine zweite Aus führungs form der vorliegenden Erfindung ist in FIG 8 dargestellt. Das Läufereisen beziehungsweise die Trag¬ struktur 4 des Läufers, das/die die Läuferwicklung 5 trägt, besitzt hier einen Hohlraum 41. In diesem Hohlraum 41 ist eine Vorschaltdrossel 42 angeordnet. Sie ist in Serie mit der Läuferwicklung 5 geschaltet. Mit ihr und der speziellen Anordnung im Hohlraum bzw. Rotorinnenraum erhöht sich die
Streureaktanz der Läuferwicklung. Alternativ kann eine mit der Läuferwicklung 5 in Serie geschaltete Vorschaltdrossel auch an einem anderen Ort des Läu¬ fers angeordnet werden. Zusätzlich und/oder alternativ können die Zuleitungen der Läuferwicklungen 5 auch als Vorschaltdrossel betrachtet werden, wenn sie eine entsprechende Fläche aufspannen. Je nach Gestalt dieser Zuleitungen kann auch damit die Streureaktanz der Läuferwicklung erhöht werden.
Auf die oben genannte Art und Weise lässt sich also das Ver¬ hältnis der Streureaktanzen zwischen Läuferwicklung und Dämpferwicklung erhöhen, wenn beispielsweise die Dämpferwicklung beziehungsweise deren Streureaktanz unverändert bleibt.
Wird die oben genannte Synchronmaschine in einem Walzwerk als Antrieb eingesetzt, so kann den dortigen Anforderungen eher entsprochen werden. Insbesondere können die quasi periodisch auftretenden Laststöße und Drehmomentanforderungen leichter gemeistert werden. Dies wird hier dadurch erreicht, dass ver¬ mehrt HTS-Leiter eingesetzt wird, um die Betriebseigenschaf¬ ten der Maschine an spezielle Betriebsanforderungen anzupassen. Demgegenüber wird bei konventionellen HTS-Maschinen in der Regel gezielt versucht, die Rotorwicklung mit möglichst wenig HTS-Leiter auszuführen.

Claims

Patentansprüche
1. Synchronmaschine mit
- einem Ständer,
- einem Läufer, der um eine Achse (3) in oder um den Ständer drehbar ist,
- einer einen Hochtemperatursupraleiter umfassende Läuferwicklung ( 5 ) ,
- einer Ständerwicklung (2) und
- einer Dämpferwicklung (6), die zwischen der Läuferwicklung (5) und der Ständerwicklung (2) angeordnet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Streureaktanz der Läuferwicklung (5) in der d-Achse mindestens doppelt so groß ist wie die Streureaktanz der Dämpferwicklung (6) in der d-Achse.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei die Läuferwicklung (5) eine größere axiale Ausdehnung aufweist als die Ständer¬ wicklung ( 2 ) .
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vor- schaltdrossel (42) in Reihe zu der Läuferwicklung (5) geschaltet ist.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 3, wobei der Läufer einen
Innenraum (41) aufweist, in dem die Vorschaltdrossel (42) an¬ geordnet ist.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 3, wobei die Vorschaltdros- sei (42) durch Zuleitungen zur Läuferwicklung gebildet ist.
6. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ständer ein Blechpaket (1) mit einer axialen ersten Länge (lSb ) und der Läufer eine Tragstruktur (4), die die Läuferwicklung (5) trägt, mit einer axialen zweiten Länge
(let ) aufweist, und wobei die erste Länge (lSb ) im Wesentli¬ chen gleich der zweiten Länge (let ) ist.
7. Synchronmaschine nach Anspruch 6, wobei die Tragstruktur (4) aus magnetisch leitfähigem Material mit einer relativen Permeabilität >1 gebildet ist.
8. Synchronmaschine nach Anspruch 7, wobei die Tragstruktur (4) aus Eisen gebildet ist.
9. Synchronmaschine nach Anspruch 6, wobei die axiale Ausdeh nung ( l dw ) der Dämpferwicklung (6) im Wesentlichen der der Tragstruktur (4) des Läufers entspricht.
10. Walzwerk, bei dem ein Antriebsmotor mit einer Synchronma schine nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist .
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