WO2012175160A2 - Elektrische maschine mit einer einrichtung zum überwachen der rotorgeometrie - Google Patents

Elektrische maschine mit einer einrichtung zum überwachen der rotorgeometrie Download PDF

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Eberhard Kopf
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H02K3/51—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto applicable to rotors only

Definitions

  • the invention relates to the field of electrical machines. It particularly relates to electric motors or generators.
  • Such machines are used for example in power plants and driven by turbines.
  • double-fed asynchronous machines in the power range of 20 MVA for variable-speed power generation come into consideration.
  • the machines may have a three-phase winding on the rotor.
  • the rotor winding consists of individual rods, which in the
  • Rotor laminated core are embedded in grooves.
  • the rods are connected to form a winding.
  • winding heads are exposed to centrifugal forces during rotation of the rotor.
  • the holding systems can be, for example, steel caps, steel cables, wires or plastic films. Also bolts, screws or U-shaped stirrups come into consideration.
  • the centrifugal forces can be extremely large at correspondingly high speeds. They can lead to damage, for example in the form of a loosening or breakage of the holding means of the winding head.
  • the invention has for its object to detect a monitoring device for detecting the state of the air gap defining surfaces of the rotor or even the winding head, and thereby to avoid the disadvantages of the prior art.
  • the core idea of the invention thus consists in the application of a conductor for conducting energy, embedded or laid on the rotor or the
  • Winding head further in a detector for detecting the flow of energy in the conductor.
  • conductor is to be understood in the broadest sense, such as metallic conductors or optical fibers.
  • a so-called fiber Bragg grating can be used as a conductor. These are special fiber optic sensors or Optical waveguides containing zones with optical interference filters. When stretched or compressed, the wavelength of the filter-reflected light changes. The then measured spectral bandwidth is proportional to the strain.
  • a whole network of conductors which completely or partially surrounds the rotor.
  • the application of the conductor can be done in various ways. A simple placing without further fixing, only by mechanical clamping of the conductor is conceivable, especially in metallic ladders.
  • the shape and arrangement of the conductor can be diverse. Thus, a turn of a conductor can wrap around the circumference of the rotor and / or the winding head. Also, several turns are conceivable.
  • the turns can run in the circumferential direction and they can also extend over a larger axial portion of the rotor and / or the winding head, or over the entire axial length of these two.
  • Figure 1 shows a perspective view of a rotor with shaft in
  • FIG. 2 shows the subject of FIG. 1 in a perspective view.
  • FIG. 3 shows the rotor of FIG. 1 in an axial intersection.
  • Figure 4 shows a large section of the rotor in a perspective view and on an enlarged scale.
  • FIG. 5 shows the subject of FIG. 4, again enlarged.
  • Figure 6 shows a high magnification a tension bolt with anchor
  • the rotor shown in FIG. 1 is part of an asynchronous machine. This can be operated both as a motor and as a generator. she is
  • a shaft 1 carries a support core 2.
  • the support core 2 is equipped with a rotor body 3. In this rotor runs a winding.
  • Wickelkopf 5 worn.
  • FIGS 2 and 3 show the winding head 4 and its environment in detail.
  • FIG. 4 To secure the winding head 4 is a security system. See Figures 4 to 6. This includes a plurality of Fixierplättchen 6, tension bolt 7 and anchor 8. Each tie bolt 7 establishes a high-tensile strength connection between a plate 6 and an armature 8. According to an embodiment not shown here, an optical waveguide wraps around the winding head 4.
  • the optical fiber may be applied at the level of the upper row of fixing plates 6, or the lower row, or between the two. In the embodiment according to FIG. 5, it wraps around the upper row of fixing plates 6.
  • a metallic conductor can also be provided. There is always a voltage on it.
  • Irregularity can lead to an elongation of the metallic conductor and thus to a change in its electrical resistance. Such a change is a signal indicating an abnormality.
  • a conductor is thus provided according to the invention, to which a power source is connected. Furthermore, a detector (not shown here) for detecting the energy flow is provided, or a change in the energy flow.
  • the conductor may extend in the circumferential direction, as shown in FIG. But it can also wrap around the winding head in the manner of a spiral, and thus comprise several turns.
  • Machine shaft 1 have a considerable slope.
  • a grid can also be provided (fiber Bragg grating).

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  • Power Engineering (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor mit einem Wickelkopf; ein Statorblechpaket; einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator beziehungsweise Wickelkopf und Stator; eine Überwachungseinrichtung zum Erfassen des Zustandes der den Luftspalt begrenzenden Flächen; die Überwachungseinrichtung umfasst einen auf den Rotor aufgebrachten Leiter, eine an den Leiter angeschlossene Energiequelle sowie einen Detektor zum Erfassen des Energieflusses im Leiter; der leiter umschlingt die rotorachse.

Description

Elektrische Maschine mit einer Einrichtung zum Überwachen der Rotorgeometrie
Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft insbesondere Elektromotoren oder Generatoren.
Derartige Maschinen werden zum Beispiel in Kraftwerksanlagen eingesetzt und von Turbinen angetrieben. Hier kommen doppeltgespeiste Asynchronmaschinen im Leistungsbereich von 20 MVA zur drehzahlvariablen Energieerzeugung in Betracht. Die Maschinen können eine Dreiphasenwicklung auf dem Rotor aufweisen. Die Rotorwicklung besteht aus einzelnen Stäben, welche im
Rotorblechpaket in Nuten eingebettet sind. In einem Wickelkopf sind die Stäbe zu einer Wicklung verschaltet.
Insbesondere die Wickelköpfe sind bei Rotation des Rotors Zentrifugalkräften ausgesetzt. Diese sind durch Wickelkopf-Haltesysteme mechanisch gesichert. Die Haltesysteme können beispielsweise Stahlkappen sein, Stahlkabel, Drähte oder Kunststofffolien. Auch Bolzen, Schrauben oder U-förmige Bügel kommen in Betracht. Die Zentrifugalkräfte können bei entsprechend hohen Drehzahlen außerordentlich groß sein. Sie können zu Schäden führen, beispielsweise in Form eines Lösens oder Bruches der Haltemittel des Wickel kopfes.
DE 10 2009 037 989 AI beschreibt ein Sicherungssystem, bei welchem Schäden am Rotorwickelkopf infolge der Zentrifugalkräfte vermieden oder begrenzt werden können.
DE 10 2009 037 990 AI beschreibt Mittel zum Überwachen des Luftspaltes.
Hiermit soll eine Veränderung der Rotorgeometrie oder das Eindringen von Fremdkörpern in den Luftspalt erfasst werden. Die bekannten Lösungen haben Nachteile. Diese betreffen vor allem die
mangelnde Zuverlässigkeit als auch den baulichen Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungseinrichtung zum Erfassen des Zustandes der den Luftspalt begrenzenden Flächen des Rotors oder auch nur des Wickelkopfes zu erfassen, und dabei die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht somit im Aufbringen eines Leiters zum Leiten von Energie, eingelassen oder aufgelegt auf den Rotor oder den
Wickelkopf, ferner in einem Detektor zum Erfassen des Energieflusses im Leiter. Dabei ist der Ausdruck„Leiter" im weitesten Sinne zu verstehen. So kommen metallische Leiter oder Lichtwellenleiter in Betracht.
Handelt es sich um einen metallischen Leiter, und kommt es zu einer Veränderung der Außenfläche von Rotor und/oder Wickelkopf, so führt dies zu einer Dehnung des metallischen, stromdurchflossenen Leiters, und damit zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Leiters. Diese Widerstandsänderung wird durch einen Sensor erfasst.
Handelt es sich um einen Lichtwellenleiter, so kann ein Verändern der Außenfläche von Rotor und/oder Wickelkopf zu einem Bruch des Lichtwellenleiters kommen, und somit zu einer Unterbrechung des Lichtstrahles. Es werden Änderungen der Wellenlänge des reflektierten Lichtes erfasst.
Als Leiter kann ein sogenanntes Faser-Bragg-Gitter verwendet werden. Hierbei handelt es sich um spezielle faseroptische Sensoren beziehungsweise Lichtwellenleiter, welche Zonen mit optischen Interferenzfiltern enthalten. Bei Dehnung oder Stauchung ändert sich die Wellenlänge des filterreflektierten Lichtes. Die dann gemessene spektrale Bandbreite ist proportional zur Dehnung. Es lässt sich somit statt eines einzigen Leiters ein ganzes Netz von Leitern verwenden, das den Rotor komplett oder teilweise umhüllt. Auch kommt ein Leiter mit Verzweigungen in Frage, oder mehrere Leiter, die ein Netz miteinander bilden.
Das Aufbringen des Leiters kann auf verschiedene Weise erfolgen. Ein einfaches Auflegen ohne weiteres Fixieren, lediglich durch mechanisches Aufspannen des Leiters ist denkbar, vor allem bei metallischen Leitern.
Auch ist ein Einlegen des Leiters in einen Kanal von Rotor und/oder Wickelkopf denkbar. Das Fixieren kann mittels Ankleben vorgenommen werden.
Gestalt und Anordnung des Leiters können vielfältig sein. So kann sich eine Windung eines Leiters um den Umfang des Rotors und/oder des Wickelkopfes herumschlingen. Auch sind mehrere Windungen denkbar.
Die Windungen können in Umfangsrichtung verlaufen und sie können sich aber auch über einen größeren axialen Abschnitt des Rotors und/oder des Wickelkopfes erstrecken, oder über die komplette Axiallänge dieser beiden.
Ganz allgemein kommen elektrische Maschinen mit einer Leistung zwischen 100 MVA bis 500 MVA in Betracht. Abweichungen nach oben oder unten sind möglich. Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Rotor mit Welle in
Seitenansicht. Figur 2 zeigt den Gegenstand von Figur 1 in perspektivischer Darstellung.
Figur 3 zeigt den Rotor von Figur 1 in einem Axialschnittpunkt.
Figur 4 zeigt einen Großschnitt des Rotors in perspektivischer Darstellung und in vergrößertem Maßstab.
Figur 5 zeigt den Gegenstand von Figur 4, nochmals vergrößert.
Figur 6 zeigt in starker Vergrößerung ein Zugbolzen mit Anker und
Fixierplättchen.
Der in Figur 1 gezeigte Rotor ist Bestandteil einer Asynchronmaschine. Diese kann sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden. Sie ist
drehzahlvariabel.
Eine Welle 1 trägt einen Tragkern 2. Der Tragkern 2 ist bestückt mit einem Rotorblechkörper 3. In diesem verläuft eine Rotorwicklung.
Ein wichtiger Bestandteil ist ein Wickelkopf 4. Dieser ist von einem
Wickelkopfträger 5 getragen.
Die Figuren 2 und 3 lassen den Wickelkopf 4 sowie dessen Umfeld im Einzelnen erkennen.
Zum Sichern des Wickelkopfes 4 dient ein Sicherungssystem. Siehe die Figuren 4 bis 6. Dieses umfasst eine Vielzahl von Fixierplättchen 6, Zugbolzen 7 und Anker 8. Jeder Zugbolzen 7 stellt eine zugfeste Verbindung zwischen einem Plättchen 6 und einem Anker 8 her. Gemäß einer hier nicht gezeigten Ausführungsform umschlingt ein Lichtwellenleiter den Wickelkopf 4.
Der Lichtwellenleiter kann auf der Höhe der oberen Reihe von Fixierplättchen 6 aufgebracht sein, oder der unteren Reihe, oder zwischen diesen beiden. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 umschlingt er die obere Reihe der Fixierplättchen 6.
Er kann in Nuten eingelegt sein, die in die Fixierplättchen 6 eingearbeitet sind, sodass der Lichtwellenleiter bündig mit der Außenfläche der Fixierplättchen ist.
Sobald eine Veränderung der Geometrie der Außenflächen des Wickelkopfes auftritt, insbesondere ein„Aufblähen" zufolge übermäßiger Zentrifugalkräfte oder einer übermäßigen Erwärmung, kann dies zum Bruch des Lichtwellenleiters führen. Ein durch den Lichtwellenleiter hindurch geschickter Lichtstrahl wird hierbei unterbrochen. Damit entsteht ein binäres Signal, das eine
Unregelmäßigkeit anzeigt und zu einer Abhilfe Anlass gibt.
Statt des Lichtwellenleiters kann auch ein metallischer Leiter vorgesehen werden. An diesen ist ständig eine Spannung angelegt. Bei Auftreten einer
Unregelmäßigkeit kann es zu einer Dehnung des metallischen Leiters und damit zu einer Veränderung von dessen elektrischem Widerstand kommen. Eine solche Veränderung stellt ein Signal dar, das eine Unregelmäßigkeit anzeigt.
Ganz allgemein wird somit gemäß der Erfindung ein Leiter vorgesehen, an den eine Energiequelle angeschlossen wird. Ferner wird ein hier nicht gezeigter Detektor zum Erfassen des Energieflusses vorgesehen, beziehungsweise einer Änderung des Energieflusses. So wie oben erwähnt. Der Leiter kann in Umfangsrichtung verlaufen, so wie in Figur 5 gezeigt. Er kann aber auch nach Art einer Spirale den Wickelkopf umschlingen, und somit mehrere Windungen umfassen.
Nicht nur der Wickelkopf kann auf diese Weise überwacht werden, sondern auch der übrige Rotor. Dabei kann der genannte Leiter relativ zur Achse der
Maschinenwelle 1 eine erhebliche Steigung aufweisen.
Statt eines einzigen Leiters kann auch ein Gitter vorgesehen werden (Faser-Bragg- Gitter).
Bezugszeichenliste
Welle
Tragkern
Rotorblech körper
Wickelkopf
Wickelkopfträger
Fixierplättchen
Zugbolzen
Anker

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine, umfassend
1.1 einen Rotor mit einem Wickelkopf (4);
1.2 ein Statorblech paket;
1.3 einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator beziehungsweise Wickelkopf (4) und Stator;
1.4 eine Überwachungseinrichtung zum Erfassen des Zustandes der den
Luftspalt begrenzenden Flächen;
1.5 die Überwachungseinrichtung umfasst einen auf den Rotor aufgebrachten Leiter, eine an den Leiter angeschlossene Energiequelle sowie einen Detektor zum Erfassen des Energieflusses im Leiter;
1.6 der Leiter umschlingt die Rotorachse (1).
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter die Rotorachse (1) umschlingt.
3. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Leiter nur einem Teil des Rotors zugeordnet ist.
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