WO2015117811A2 - Vorrichtung zur überwachung des radialen spalts zwischen rotor und stator elektrischer maschinen - Google Patents

Vorrichtung zur überwachung des radialen spalts zwischen rotor und stator elektrischer maschinen Download PDF

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WO2015117811A2
WO2015117811A2 PCT/EP2015/050834 EP2015050834W WO2015117811A2 WO 2015117811 A2 WO2015117811 A2 WO 2015117811A2 EP 2015050834 W EP2015050834 W EP 2015050834W WO 2015117811 A2 WO2015117811 A2 WO 2015117811A2
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Thomas König
Johannes KÖWILEIN
Felix SORG
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Voith Patent Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring the radial gap between the rotor and the stator of an electrical machine, in particular for an electric machine in a hydroelectric power plant.
  • WO01 / 47092 shows such a device.
  • the sensors which directly measure the distance between the stator inner wall and the rotor outer wall or the rotor poles, are usually attached to the stator inner wall.
  • FIG. 1 of WO01 / 47092 shows such a sensor. This is designated 104, while the Rotor with 6, the stator with 8 and the gap between the two with 10 are designated.
  • the disadvantages of the described prior art are that the sensors, which are located on the inside of the stator, can be easily damaged. Due to the very small gap widths, very high air velocities result during operation at the location of the sensors. Experience shows that this can partially destroy or demolish the sensors. The failure of one or more sensors can then lead to failure of the entire electrical machine, resulting in very high revenue losses of the operator and thus very high maintenance costs. Of course, the disadvantages described arise not only with sensors that measure the width of the gap, but with all types of sensors that can be attached to the inside of the stator.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages described without much effort.
  • the inventors have recognized that the stated object can be achieved by a device for monitoring the radial gap between the rotor and the stator of an electric machine with the characterizing features of claim 1. Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent therefrom dependent claims.
  • the inventors have recognized that the object can be achieved by the fact that the sensors are not applied to the inside of the stator as in the prior art, so that they protrude into the interior, but are mounted sunk into the stator. As a result, the sensors are better protected and cause no or a much smaller narrowing of the gap and thus represent a smaller obstacle to the air flow.
  • the inside of the stator consists of the so-called laminated core, ie from a stack of insulated sheets.
  • the completely stacked laminated core constitutes a cylindrical tube. From the cylindrical inner surface of this tube, the winding grooves recede outwardly. In the following, when talking about the stator inner surface, it is always meant this cylindrical inner surface of the sheet metal tube. Similarly, the stator interior extends within the stator inner surface.
  • FIG. 1 section through a part of a stator laminated core in
  • FIG. 1 In the illustration of Figure 1 is a section through a portion of the stator laminated core of an electrical machine is shown.
  • the laminated core itself is designated 10.
  • the inside turned side of the laminated core has numerous grooves, in which the winding bars of the stator winding are inserted. One of these winding bars is denoted by 11.
  • the grooves are closed with means.
  • these means are formed as so-called slot wedges and one of these wedges is designated 12. If you want to attach the sensors sunk into the stator to monitor the gap, so initially offers only the space on the inside of the laminated core, which is located between the grooves in which the winding rods are inserted.
  • an additional groove could be provided in the laminated core, in which the sensor could be attached, for example, cohesively connected.
  • the inventors have recognized, however, that this obvious solution, while solving the problem from the technical side, causes considerable additional costs. This is because on the inside of the laminated core after stacking no groove can be retrofitted. Because the individual sheets are electrically isolated from each other and any mechanical post-processing of the sheet stack would lead to short circuits between the sheets. So there would be nothing left but to provide the grooves for the sensors already in the production of the individual sheets. However, since sensor grooves are not needed between all winding grooves, a number of special sheets would have to be produced with sensor grooves that differ from the other sheets.
  • the inventors have recognized that the problem can also be solved differently. For this they have taken into account the means that serve to fix the winding rods in the winding groove. These funds are usually inserted after inserting the winding bars in specially provided recesses at the mouth of the winding parallel to the winding bars. So that these means can not cause a short circuit between the individual sheets, these means are made of an insulator. Since the width of these means is comparatively narrow, the space that they could provide for the attachment of the sensors seemed to be too low, as for example the sensors to measure the gap width need a certain minimum area in order to be able to measure with sufficient accuracy (capacitive sensors). The inventors have recognized, however, that one can use sensors that are narrower and longer than the sensors previously used. The arrangement according to the invention can be carried out in two forms:
  • Figure 2 shows an inventive means for closing the winding grooves (slot closure wedge) which is denoted by 12.
  • slot closure wedge On this slot wedge a sensor 20 for monitoring the gap is applied e.g. by material connection.
  • This embodiment can be used when the slot closure wedges themselves are mounted slightly set back. That when the surface of the slot closure wedge 12, to which the sensor is attached, is sunk with respect to the stator inside, so that the surface of the sensor 20 does not protrude so far into the stator interior, as if it were applied to the laminated core. Ideally, the surface of the sensor 20 itself will not protrude into the stator interior.
  • FIG. 3 shows a slot closure wedge 12 according to the invention in a second embodiment.
  • the sensor 20 is located in a groove which has been introduced into the slot closure wedge 12.
  • This embodiment can be used when the slot closure wedges 12 close more or less with the stator inner wall.
  • the necessary depression of the sensors 20 is thus achieved by the recessed groove in NutverBankkeil. If those groove closure wedges 12 which are each to carry a sensor 20 are provided with a groove which at least partially accommodates the sensor 20, then it is expedient to guide the cable guide to and from the sensor 20 also in a groove in the slot closure wedge 12. Since the ventilation slots usually open into the winding grooves, it is expedient to lead the cables through a suitable ventilation slot to the outside.
  • Sensors for measuring the gap include sensors for measuring various sizes: sensors for distance measurement, for temperature measurement, for vibration measurement, for measuring the composition of the atmosphere, for measuring surface wetting, for measuring magnetic and electric field quantities (in each case static and dynamic) , In addition, it can also be all other types of sensors that can be used in this location.

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Abstract

Elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst ein Blechpaket mit Nuten für die Aufnahme von Wicklungsstäben, welche durch Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe verschlossen werden. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine Anzahl von Sensoren zur Überwachung des Spaltes zwischen Stator und Rotor, wobei die Sensoren an einigen der Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe angebracht sind, so dass die Fläche der Sensoren, die vom Innenraum des Stator abgewandt ist, bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.

Description

Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen Rotor und Stator elektrischer Maschinen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere für eine elektrische Maschine in einem Wasserkraftwerk.
Besonders bei großen elektrischen Maschinen, beispielsweise Wasserkraft- Generatoren und Motor-Generatoren für ein Pumpspeicherkraftwerk mit Rotordurchmessern von mehr als 5 m und kleinen relativen Spaltweiten, besteht die Gefahr, dass sich der Rotor nicht konzentrisch in der Mitte des Stators bewegt. Da bei diesen Maschinen die radiale Weite des Spalts zwischen Rotor und Stator in der Regel nur wenige Promille des Durchmessers der Statorinnenwand beträgt, kann eine vergleichsweise kleine Veränderung der Geometrie der elektrischen Maschine eine große relative Veränderung der Spaltgeometrie zur Folge haben. Es können sich beispielsweise während dem Betrieb sowohl die Form des Rotors und des Stators sowie deren relative Lage zueinander verändern. Die Folge sind große, auf den Umfang des Rotors ungleichmäßig verteilte Kräfte und dadurch verursachte Schwingungen, was sich ungünstig auf den Betrieb und vor allem auf die Lebensdauer der elektrischen Maschine auswirken kann. Es ist daher notwendig den Spalt zwischen Rotor und Stator mit Hilfe geeigneter Sensoren kontinuierlich zu überwachen.
Vorrichtungen zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die WO01/47092 eine solche Vorrichtung. Die Sensoren, die direkt den Abstand zwischen Stator-Innenwand und Rotoraußenwand bzw. den Rotorpolen messen, werden dabei gewöhnlich an der Stator-Innenwand befestigt. So zeigt der vergrößerte Ausschnitt in Figur 1 der WO01/47092 einen solchen Sensor. Dieser ist mit 104 bezeichnet, während der Rotor mit 6, der Stator mit 8 und der Spalt zwischen beiden mit 10 bezeichnet sind.
Die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik bestehen darin, dass die Sensoren, die sich auf der Innenseite des Stators befinden, leicht beschädigt werden können. Durch die sehr kleinen Spaltweiten ergeben sich im Betrieb am Ort der Sensoren sehr hohe Luftgeschwindigkeiten. Die Erfahrung zeigt, dass dadurch die Sensoren teilweise zerstört oder abgerissen werden können. Der Ausfall eines oder mehrerer Sensoren kann dann zum Ausfall der gesamten elektrischen Maschine führen, was zu sehr hohen Umsatzeinbußen des Betreibers und damit zu sehr hohen Wartungskosten führt. Die beschriebenen Nachteile entstehen natürlich nicht nur bei Sensoren, die die Weite des Spaltes messen, sondern bei allen Arten von Sensoren, die an der Innenseite des Stators befestigt sein können.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, die beschriebenen Nachteile ohne großen Aufwand zu vermeiden.
Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Überwachung des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Aufgabe dadurch lösen lässt, dass die Sensoren nicht wie im Stand der Technik auf die Innenseite des Stators aufgebracht werden, so dass sie in den Innenraum hineinragen, sondern in den Stator eingesenkt angebracht werden. Dadurch sind die Sensoren besser geschützt und verursachen keine oder eine wesentlich geringere Verengung des Spalts und stellen so ein kleineres Hindernis für den Luftstrom dar. Die Innenseite des Stators besteht aus dem sogenannten Blechpaket, d.h. aus einem Stapel isolierter Bleche. Auf der Innenseite des Blechpakets befinden sich Nuten, die zur Aufnahme der Stator-Wicklungsstäbe dienen. Das vollständig aufgeschichtete Blechpaket stellt eine zylindrische Röhre dar. Von der zylindrischen Innenfläche dieser Röhre weichen die Wicklungsnuten nach außen zurück. Wenn im Folgenden von der Stator-Innenfläche gesprochen wird, so ist immer diese zylindrische Innenfläche der Blechröhre gemeint. Analog erstreckt sich der Stator-Innenraum innerhalb der Stator-Innenfläche.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 Schnitt durch einen Teil eines Stator-Blechpakets in
Draufsicht; und
Figur 2 erfindungsgemäßer Nutverschlusskeil in einer ersten
Ausführungsform; und
Figur 3 erfindungsgemäßer Nutverschlusskeil in einer zweiten
Ausführungsform
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Teil des Stator- Blechpakets einer elektrischen Maschine dargestellt. Dabei ist das Blechpaket selbst mit 10 bezeichnet. Die nach innen gekehrte Seite des Blechpaketes weist zahlreiche Nuten auf, in die die Wicklungsstäbe der Stator-Wicklung eingelegt werden. Einer dieser Wicklungsstäbe ist mit 11 bezeichnet. Um zu vermeiden, dass sich die Wicklungsstäbe aus den Nuten lösen können, werden die Nuten mit Mitteln verschlossen. In Figur 1 sind diese Mittel als sogenannte Nutverschlusskeile ausgebildet und einer dieser Keile ist mit 12 bezeichnet. Wenn man die Sensoren zur Überwachung des Spaltes in den Stator eingesenkt anbringen möchte, so bietet sich zunächst nur der Raum an der Innenseite des Blechpaketes an, der sich zwischen den Nuten befindet, in welche die Wicklungsstäbe eingelegt werden. Hier könnte eine zusätzliche Nut im Blechpaket vorgesehen werden, in die der Sensor z.B. stoffschlüssig verbunden angebracht werden könnte. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass diese naheliegende Lösung, das Problem zwar von der technischen Seite her löst, jedoch erhebliche Mehrkosten verursacht. Das liegt daran, dass auf der Innenseite des Blechpakets nach dem Stapeln keine Nut nachträglich angebracht werden kann. Denn die einzelnen Bleche sind gegeneinander elektrisch isoliert und jede mechanische Nachbearbeitung des Blechstapels würde zu Kurzschlüssen zwischen den Blechen führen. Es bliebe also nichts weiter übrig, als die Nuten für die Sensoren schon bei der Herstellung der einzelnen Bleche vorzusehen. Da jedoch nicht zwischen allen Wicklungsnuten Sensornuten gebraucht werden, müsste eine Anzahl von speziellen Blechen mit Sensornuten produziert werden, die sich von den übrigen Blechen unterscheiden. Diese speziellen Bleche müssten dann nur an besonderen Stellen des Blechstapels aufgestapelt werden. Das ganze wäre mit einer erheblich komplizierteren Logistik verbunden und zudem fehleranfällig. Da das Aufstapeln des Blechpaketes ohnehin den kostenträchtigsten Teil der Stator-Fertigung ausmacht, verbietet sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten diese Lösung.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich das Problem jedoch auch anders lösen lässt. Hierzu haben sie die Mittel ins Auge gefasst, die dazu dienen die Wicklungsstäbe in der Wicklungsnut zu fixieren. Diese Mittel werden in der Regel nach dem Einlegen der Wicklungsstäbe in eigens dafür vorgesehene Aussparungen an der Mündung der Wicklungsnuten parallel zu den Wicklungsstäben eingeschoben. Damit durch diese Mittel kein Kurzschluss zwischen den einzelnen Blechen entstehen kann, sind diese Mittel aus einem Isolator gefertigt. Da die Breite dieser Mittel vergleichsweise schmal ist, schien der Raum, den sie für die Anbringung der Sensoren zur Verfügung stellen könnten, zu gering zu sein, da z.B. die Sensoren zum Messen der Spaltweite eine gewisse minimale Fläche benötigen, um mit ausreichender Genauigkeit messen zu können (kapazitive Sensoren). Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass man Sensoren benutzen kann, die schmäler und dafür länger als die bisher benutzen Sensoren sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in zwei Formen ausführbar:
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Mittel zum Verschließen der Wicklungsnuten (Nutverschlusskeil) welches mit 12 bezeichnet ist. Auf diesen Nutverschlusskeil ist ein Sensor 20 zur Überwachung des Spaltes aufgebracht z.B. durch Stoffschluss. Diese Ausführungsform kann dann zur Anwendung kommen, wenn die Nutverschlusskeile selbst etwas zurückversetzt angebracht werden. D.h. wenn die Fläche des Nutverschlusskeiles 12, an die der Sensor angebracht ist, bzgl. der Stator-Innenseite eingesenkt ist, so dass die Oberfläche des Sensors 20 nicht so weit in den Stator-Innenraum hineinragt, als wenn sie auf dem Blechpaket aufgebracht wäre. Idealerweise wird auch die Oberfläche des Sensors 20 selbst nicht in den Stator-Innenraum hineinragen.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Nutverschlusskeil 12 in einer zweiten Ausführungsform. Hier befindet sich der Sensor 20 in einer Nut, die in den Nutverschlusskeil 12 eingebracht wurde. Diese Ausführungsform kann dann zur Anwendung kommen, wenn die Nutverschlusskeile 12 mehr oder weniger mit der Stator-Innenwand abschließen. Die notwendige Einsenkung der Sensoren 20 wird somit durch die eingelassene Nut im Nutverschlusskeil erreicht. Wenn diejenigen Nutverschlusskeile 12, die jeweils einen Sensor 20 tragen sollen, ohnehin mit einer Nut versehen werden, die den Sensor 20 wenigstens teilweise aufnimmt, so ist es zweckmäßig die Kabelführung zu und von dem Sensor 20 ebenfalls in einer Nut im Nutverschlusskeil 12 zu führen. Da die Lüftungsschlitze in der Regel auch in die Wicklungsnuten münden, ist es zweckmäßig die Kabel durch einen geeigneten Lüftungsschlitz nach außen zu führen. Als Sensoren zur Überwachung des Spaltes kommen Sensoren zur Messung diverse Größen in Frage: Sensoren zur Abstandsmessung, zur Temperaturmessung, zur Vibrationsmessung, zur Messung der Zusammensetzung der Atmosphäre, zur Messung der Oberflächenbenetzung, zur Messung von magnetischen und elektrischen Feldgrößen (jeweils statisch und dynamisch). Darüber hinaus kann es sich auch um alle weiteren Arten von Sensoren handeln, die an diesem Ort zum Einsatz kommen können.
Es ist klar, dass mit beiden beschriebenen Ausführungsformen, die erfinderische Aufgabe gelöst wird, da in beiden Fällen die Sensoroberfläche weniger weit in den Stator-Innenraum hineinragt, als beim Stand der Technik. Der benötigte Aufwand zur Realisierung der Lösungen ist gering. In der ersten Ausführungsform entsteht überhaupt kein weiterer Aufwand und in der zweiten Ausführungsform müssen nur so viele Nuten in die Nutverschlusskeile eingebracht werden, wie Sensoren benötigt werden. Die Kosten hierfür sind vernachlässigbar.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator umfasst ein Blechpaket mit Nuten für die Aufnahme von
Wicklungsstäben, welche durch Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe verschlossen werden. Ferner umfasst die elektrische Maschine eine Anzahl von Sensoren zur Überwachung des Spaltes zwischen Stator und Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an einigen der Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe angebracht sind, so dass die Fläche der
Sensoren, die vom Innenraum des Stator abgewandt ist, bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe, an die die Sensoren angebracht sind, jeweils bezüglich der Stator-Innenfläche zurückversetzt ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren jeweils in einer Nut angebracht werden, die in die Fläche der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe eingelassen ist, die in Richtung der Stator-Innenseite weist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel zu und von den Sensoren jeweils in einer Nut geführt werden, die in die Flächen der einigen Mittel zum Festhalten der Wicklungsstäbe eingelassen ist, die in Richtung der Stator-Innenseite weist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel zu und von den Sensoren durch einen Lüftungsschlitz im Blechpaket nach außen geführt werden.
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Abstandsmessung handelt.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Temperaturmessung handelt.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Vibrationsmessung handelt.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der Zusammensetzung der Atmosphäre handelt.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der Oberflächenbenetzung handelt.
11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der magnetischen Feldgröße handelt.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren um Sensoren zur Messung der elektrischen Feldgröße handelt.
PCT/EP2015/050834 2014-02-07 2015-01-19 Vorrichtung zur überwachung des radialen spalts zwischen rotor und stator elektrischer maschinen WO2015117811A2 (de)

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