DE1090749B

DE1090749B - Asynchronous machine in turbo design, in particular asynchronous machine of high power with a small number of poles

Info

Publication number: DE1090749B
Application number: DES59934A
Authority: DE
Inventors: Dr Techn Alfred Grabner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-09-22
Filing date: 1958-09-22
Publication date: 1960-10-13

Description

Asynchronmaschine in Turbobauart, insbesondere Asynchronmaschine großer Leistung mit geringer Polzahl Dadie Läufer von Asynchromnaschinen aus lamellierten Blechen aufgebaut werden, ist ihre Steifigkeit, insbesondere wenn es sich um eine zweipolige Maschine mit großer axialer Länge handelt, verhältnismäßig gering. Bekanntlich bleibt daher die ausführbare Grenzleistung von Asynchronmaschinen hinter der ausführbaren Grenzleistung von Synchronmaschinen beträchtlich zurück. Beispielsweise für Netzkupplungsurnformer oder auch für Kompressor-, antriebe werden edoch Asynchronmaschinen großer Leistung benötigt. Aber auch in Kraftwerken würde der Einsatz von asynchronen Turbogeneratoren unter bestimmten Voraussetzungen einen beachtlichen Vor-teil mit sich bringen. Die Erzeugung von Wirklast ist nämlich um so wirtschaftlicher, in je größeren Maschineneinheiten sie vorgenommen wird. Mit dem stetig anwachsenden Bedarf an elektrischer Energie sind daher die Groß,kraftwerke hinsichtlich ihres Leistungsangebotes und mit ihnen auch (die Grenzleistungen der Maschineneinheiten ständig gestiegen. Da der Käfigläufer einer zweipoligen Asynchronmaschine viel einfacher aufgebaut ist als der Läufer eines synchronen Turbogenerators, ließen sich mit einem asvnchron-en Turbogenerator erhebl-ich größere Leistungen erzielen, als es mit Synchronmaschinen möglich ist. Mit Rücksicht auf das erforderliche Widerstandsmoment des Läufers ist es für den Bau einer Asynchronmaschine in Turbobauart allerdings erforderli:ch, daß ein massiver Läuferballen mit möglichst großem Durchmesser verwendet wird, wobei dann auch der Maschinenluftspalt zur Erzwingung eines guten Leistungsfaktors möglichst klein gehalten werden muß. Unter Verwendung solcher großen asynchron-en Maschineneinheiten läßt sich #dann in Großkraftwerken in wirtschaftlicher Weise Wirklast mit Hilfe weniger großer asynchroner Maschineneinheiten erzeugen, während zur Spannungshaltung des Netzes und zur Erzeugung der erforderlichen Blindleistung gleichzeitig noch Synchronma#schinen kleinerer Leistung vorgesehen werden.Asynchronous machine in turbo design, in particular high-performance asynchronous machine with low number of poles Since the rotors of asynchronous machines are constructed from laminated metal sheets, their rigidity, especially when it comes to a two-pole machine with a large axial length, is relatively low. As is well known, the achievable limit power of asynchronous machines therefore lags considerably behind the achievable limit power of synchronous machines. For example, for network coupling converters or for compressor drives, however, high-performance asynchronous machines are required. But also in power plants, the use of asynchronous turbogenerators would under certain conditions, a considerable part pre- bring. The generation of active load is namely all the more economical, the larger machine units it is carried out. With the steadily growing demand for electrical energy, the large power plants have therefore risen steadily in terms of their power range and with them the limit powers of the machine units Asynchronous turbo generator achieves higher performance than is possible with synchronous machines. However, considering the required moment of resistance of the rotor, it is necessary for the construction of an asynchronous machine in turbo design that a massive rotor ball with the largest possible diameter is used The machine air gap must then also be kept as small as possible in order to enforce a good power factor generate internal units, while synchronous machines with lower power are provided at the same time to maintain the voltage of the network and to generate the required reactive power.

Bei asynchronen Großmaschinen kommt den durch die Nutenoberwellen hervorgerufenen Oberflächenverlusten eine beachtliche Bedeutung zu, da eine solche Asynchronmaschine zur Erzielung eines möglichst hohen Leistungsfaktors mit einem so kleinen Maschinenluftspalt auszulegen ist, als es die konstruktiven Gegebenheiten noch zulassen. Hingegen sind die durch den Schlupf bedingten Verluste im massiven Ständereisen praktisch zu vernachlässigen, da der Schlupf des Läufers gegenüber dein Haupt-feld sehr klein ist.In large asynchronous machines, the surface losses caused by the slot harmonics are of considerable importance, since such an asynchronous machine has to be designed with a machine air gap as small as the structural conditions allow it to achieve the highest possible power factor. In contrast, the losses caused by the slip in the massive stator iron are practically negligible, since the slip of the rotor compared to your main field is very small.

Es sind zwar asynchrone Turbogeneratoren bekannt, deren Turboläufer eingesetzte larnellierte Zähne aufweisen. Eine solche Konstruktion bewährt sich aber bei kleinem Maschinenluftspalt nicht, da die Nutenoberwellen in den Läufer eindringen und im massiven Teil des Läuferballens WirbeIstromverluste hervorrufen, deren Größe durch das Verhältnis der Ständernutenteilung zur Läufernutenteilung, die Nutenöffnungen und die Größe des Maschinenluftspaltes bestimmt wird. Durch geschlossene Läufernuten mit großer Steghöhe würde #sich zwar ein Ausgleich dieser Nutenoberwellen erzielen lassen, hierdurch wird aber die Läuferstreuung derart vergrößert, daß mit einer solchen Asynchronmaschine kein erträglicher Leistungsfaktor zu erzielen ist.Asynchronous turbo generators are known whose turbo rotors have inserted laminated teeth. Such a construction has proven itself but not with a small machine air gap, since the slot harmonics enter the rotor penetrate and cause eddy current losses in the massive part of the rotor ball, their size by the ratio of the stator slot pitch to the rotor slot pitch, the slot openings and the size of the machine air gap is determined. Through closed Sliding grooves with a large web height would compensate for these groove harmonics can be achieved, but this increases the rotor spread so that with such an asynchronous machine cannot achieve a tolerable power factor.

An sich ist es für normale, kompensierte Asynchronmaschinen bereits bekannt, den Läufer aus einem massiven Läuferballen aufzubauen, der von einem mit Zähnen versehenen lammellierten Ring umgeben ist. Bei dieser bekannten Anordnung wird zwar ebenfalls ein Ausgleichder Nutenoberwellen erzielt, ein solcher Ring ist aber -den insbesondere bei Asynchronmaschinen großer Leistung mit geringer Polzahl auftretenden Fliehkraftbeanspruchungen nicht gewachsen.In itself it is already for normal, compensated asynchronous machines known to build the runner from a massive runner ball, which is supported by a Teeth provided with lamellar ring is surrounded. In this known arrangement Although a compensation of the groove harmonics is also achieved, such a ring is But especially in the case of asynchronous machines with high performance and a small number of poles occurring centrifugal forces are not able to cope with it.

Weiterhin ist es für asynchron anlaufende Synchronmaschinen bekannt, die in den massiven Läuferballen eingesetzten lamellierten Läuferzähne am Nutengrund mit Ansätzen zu versehen, die jeweils gegenüber demAnsatz desbenachbartenLäuferzahnes einen Zwischenraum freilassen. Wesentlich für diese bekannteAnordnung,mit derenHilfe möglichst große, Anlaufdrehmomente erzielt werden sollen, ist die Schaffung von elektrisch leitendenKurzschlußkreisen, die durch eine geeignete Ausbildung der die Bleche der Läuferzähne zusammenpressenden und befestigenden Bolzen und derdie Wicklung haltenden Wicklungshalter erzielt wird.It is also known for asynchronous starting synchronous machines, the lamellar rotor teeth used in the massive rotor balls on the groove base to be provided with approaches that are opposite to the approach of the adjacent rotor tooth leave a gap. Essential for this known arrangement with the help of which The greatest possible starting torques are to be achieved is the creation of electrically conductive short-circuit circuits, which by a suitable design of the Pressing and fastening sheets of the rotor teeth together bolt and the coil holder holding the coil is obtained.

Durch -die Erfindung wird demgegenüber eine Asynchronmaschine in Turbobauart geschaffen, und zwar insbesondere eine Asynchronmaschine großer Leistung mit geringer Polzahl. Wesentlich hierbei ist, daß durch die Erfindung die Oberflächenverluste, die durch die '-i\Tut#--nob-erwellen hervorgerufen -werden, so gering wie möglich gehalten werden. Gemäß der Erfindung bilden die Ansätze, mit denen die in den massiven Läuferballen eingesetzten lamellierten Läuferzähne am Nutengrund versehen sind, durch Überlappung einen magnetisch gut leitenden lamellierten Ring längs des Umfanges des massiven Läuferballens; bei der Halterung und Befestigung der lamellierten Läuferzähne sind elektrisch leitende Kurzschlußkreise für die durch die Nutenoberwellen des Ständers induzierten Ströme vermieden; gleichzeitig sind die die Wicklung des Läufers bildenden Stäbe isoliert in die Läufernuten eingebettet. Durch die Erfindung werden bei größtmöglichem Ballendurchmesser des massiven Läuferballens lamellierte Ausgleichsstege für die Nutenoberwellen geschaffen, so daß neben einer hohen Steifigkeit die durch die Oberwellen bedingt-en Verluste möglichst klein gehalten werden.By contrast, the invention provides an asynchronous machine in turbo design created, in particular a high performance asynchronous machine with low Number of poles. It is essential here that the surface losses, which are caused by the '-i \ Tut # - nob waves - as small as possible being held. According to the invention, the approaches with which the massive Lamellar rotor teeth inserted into rotor balls are provided at the bottom of the groove, by overlapping a magnetically highly conductive laminated ring along the circumference the massive ball of runners; when holding and securing the laminated rotor teeth are electrically conductive short-circuit circuits for the harmonic waves caused by the Stator induced currents avoided; at the same time they are the winding of the rotor forming rods embedded in the rotor grooves in an insulated manner. Through the invention Laminated compensating webs for the largest possible ball diameter of the solid rotor ball created for the groove harmonics, so that in addition to a high rigidity through the harmonic-induced losses are kept as small as possible.

Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Überlappung der Bleche der Ansätze der Läuferzähne wird erreicht, daß auch beim Auftreten von starken Fliehkraftbeanspruchungen ein magnetisch gut leitender lamellierter Ring längs des Umfanges des massiven Läuferballens gewährleistet ist. Die Konstruktion ' gemäß der Erfindung ist also auch dann, wenn die radiale Höhe der Ansätze lediglich etwa gleich der Breite eines Zahnes am Nutengrund ist, den bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten auftretenten Fliehkraftbeanspruchungen gewachsen. Gleichzeitig hatder Läufer eine hohe Steifigkeit, da fürden Läufer der größtmögliche Durchmesser zur Verfügung steht.Due to the overlapping of the sheets of the approaches of the rotor teeth provided according to the invention, a magnetically highly conductive laminated ring is ensured along the circumference of the solid rotor ball even when strong centrifugal forces occur. The design 'according to the invention is therefore even if the radial height of the projections is only approximately equal to the width of a tooth at the groove bottom, up to the auftretenten at high peripheral speeds centrifugal stresses. At the same time, the rotor has a high degree of rigidity, since the largest possible diameter is available for the rotor.

Damit die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Isolierung der Läuferstäbe nicht zunichte gemacht wird, dürfen auch die die Bleche der Läuferzähne zusammenpressenden Bolzen keine elektrisch leitenden Kurzschlußkreise bilden. Man wird also entweder für diese Bolzen ein Material wählen, das elektrisch schlecht leitend ist, oder die Bolzen besonders isolieren, wozu bereits eine verhältnismäßig dünne isolierende Schicht ausreicht, dadie Oiberwellenspannungen verhältnismäßig klein sind.So that the insulation of the rotor bars provided in the context of the invention is not destroyed, the metal sheets of the rotor teeth may also press together Do not form an electrically conductive short circuit. So you will either choose a material for these bolts that is poorly electrically conductive, or Insulate the bolts especially, including a relatively thin insulating one Layer is sufficient because the super-wave voltages are relatively small.

An Hand der schematischen Darstellung der Fig. 1 und 2 sowie des Ausführungsbeispieles der Fig. 3 und 4 sei die Erfindung erläutert.The invention will be explained with reference to the schematic representation of FIGS. 1 and 2 and the exemplary embodiment of FIGS. 3 and 4.

Die Fig. 1 und 2 geben schematisch die den Maschinenluftspalt umgebenden Teile des Ständers und des Läufers einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Asynchronmaschine in Turbobauart in verschiedenen Ansichten wieder. Der mit dem Durchmesser D ausgeführte Läufer besteht aus dem magnetisch aktiven, massiven Läuferballen 1 mit dem Durchmesser D., in den die lamellierten Läuferzähne 3 mit ihren Schwalbenschwänzen 9 eingesetzt sind. Die Läuferzähne 3 sind mit den Ansätzen 7 bzw. 8 versehen, die mit ihren Seitenkanten unmittelbar aneinander anliegend einen magnetisch gut leitenden, lamellierten Rin#g2 längs des Umfanges des massiven Läuferballens 1 ergeben. Die Bleche aneinanderstoßender Ansätze benachbarter Zähne sind hierbei überlappt. 1 and 2 schematically show the parts of the stator and the rotor of an asynchronous machine constructed according to the invention in turbo design that surround the machine air gap in different views. The rotor designed with the diameter D consists of the magnetically active, solid rotor ball 1 with the diameter D., into which the laminated rotor teeth 3 with their dovetails 9 are inserted. The rotor teeth 3 are provided with the shoulders 7 and 8 , which, with their side edges directly adjacent to one another, result in a magnetically highly conductive, laminated ring along the circumference of the solid rotor ball 1 . The metal sheets of abutting approaches of adjacent teeth are here overlapped.

In den durch die Läuferzähne 3 gebildeten Nuten 4 wird die nicht dargestellte Läuferwicklung angeordnet, die als Käfigwicklung oder auch als Mehrphasenwicklung ausgebildet sein kann. Die Leiter der Läuferwicklung sind, auch wenn die Läuferwicklung als Käfigwicklung ausgebildet ist, isoliert in die Läufernuten eingebettet. Der Ständer 5 der dargestellten Asynchi#omnaschine ist an der dem Luftspalt zugekehrten Seite mit den Nuten 6 versehen, die die nicht dargestellte Ständerwicklung aufnehmen.In the grooves 4 formed by the rotor teeth 3 , the rotor winding, not shown, is arranged, which can be designed as a cage winding or also as a multi-phase winding. The conductors of the rotor winding are embedded in the rotor slots in an insulated manner, even if the rotor winding is designed as a cage winding. The stator 5 of the asynchronous machine shown is provided on the side facing the air gap with the grooves 6 , which accommodate the stator winding (not shown).

Die radialt Höhe h der die lamellierten Ringe 2 bildenden Ansätze 7 bzw. 8 ist etwa gleich der Breite eines Läuferzahnes am Nutengrund. Die überlappungsstellen zwischen den Ansätzen benachbarter Läuferzähne 3 können, wie es im linken Teil der Fig. 1 für die Ansätze 7 dargestellt ist, am Nutengrund angeordnet werden. Dies ist in konstruktiver Hinsicht auch deshalb günstig, weil die Läuferzähne 3 hierdurch für Bewegung in der Umfangsrichtung das geringste Spiel erhalten. Die Läuferzähne 3 können aber auch, wie es im rechten Teil der Fig. 1 dargestellt ist, mit den Ansätzen 8 versehen werden. Hierbei sind die Blechschnitte derart gewählt, daß die Überlappungsstellen zwischen den Ansätzen benachbarter Läuferzähne jeweils in der Mitte eines Zahnes verlaufen.The radial height h of the lugs 7 and 8 forming the laminated rings 2 is approximately equal to the width of a rotor tooth at the groove base. The overlap points between the approaches of adjacent rotor teeth 3 can, as is shown in the left part of FIG. 1 for the approaches 7 , be arranged on the groove base. This is also favorable from a structural point of view because the rotor teeth 3 thereby receive the least amount of play for movement in the circumferential direction. The rotor teeth 3 can, however, also be provided with the shoulders 8 , as is shown in the right-hand part of FIG. 1. The sheet metal cuts are selected in such a way that the points of overlap between the approaches of adjacent rotor teeth each run in the middle of a tooth.

In den Fig. 3 und 4 ist einegemäß, der Erfindung ausgebildete Asynchronmaschine für 350 MVA als Ausführungsbeispi,el dargestellt. Der Vollastschlupf s dieser Maschine beträgt S=0,2035-1%, während der Leistungsfaktor etwas über cos 99 = 0,93 liegt. Die relative Bewegung des Feldes gegenüber dem Läufer beträgt demzufolge nur etwa 0,1 Umdrehungen pro Sekunde, d. h. 36' Winkelausschlag in 1 Sekunde. Der Blindleistungsbedarf dieser Maschine für Vollast beträgt 129 M-#IAR, ein Betrag, der von den in der Zentrale mitlaufenden Synchronmaschinen leicht gedeckt werden kann. Diese Synchronmaschinen haben dann auch, da sie baulich kleiner sind, für die Spannungsregelung eine günstige Zeitkonstante. 3 and 4, an asynchronous machine designed according to the invention for 350 MVA is shown as an exemplary embodiment. The full load slip s of this machine is S = 0.2035-1%, while the power factor is slightly above cos 99 = 0.93 . The relative movement of the field in relation to the rotor is therefore only about 0.1 revolutions per second, i.e. H. 36 ' angular deflection in 1 second. The reactive power requirement of this machine for full load is 129 M- # IAR, an amount that can easily be covered by the synchronous machines running in the control center. Since they are structurally smaller, these synchronous machines also have a favorable time constant for voltage regulation.

Der Läufer der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Asynchronmaschinebesteht ausdem massivenLäuferballen 1, in dem die Bleche der Zähne 3 mit den Schwalbenschwänzen 9 befestigt sind. Die Bleche der Zähne 3 sind am Nutengrund mit den Ansätzen 7 versehen, die infolge der Überlappung den lamellierten Ring 2 ergeben. Zum Zusammenpressen der Bleche dienen die Bolzen 10. In den durch die Nutenkeile 11 abgeschlossenen Nuten 4 des Läufers sind -die Stäbe 12 des Kurzschlußkäfigs eingeschoben, die zur direkten Leiterinnenkühlung mit den Kühlkanälen 13 ausgerüstet und isoliert in die Nuten 4 eingebettet sind.The rotor of the asynchronous machine shown in FIGS. 3 and 4 consists of the solid rotor core 1 in which the metal sheets of the teeth 3 are fastened with the dovetails 9. The metal sheets of the teeth 3 are provided at the bottom of the groove with the projections 7 , which result in the laminated ring 2 as a result of the overlap. For pressing together the plates, the bolts serve 10. In the completed through the slot wedges 11 grooves 4 of the rotor are -the rods inserted 12 of the short cage equipped leading to the direct head internal cooling with the cooling channels 13 and isolated in the grooves 4 are embedded.

Infolge der Größe der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Asynchronmaschine muß der Verbindung der Stäbe 12 mit dem Kurzschlußring besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Mit Rücksicht auf die auftretenden Fliehkräfte sind die isoliert in die Nut eingeschobenen, an sich massiven Stäbe 12 an den aus der Nut austretenden Enden 15 geblättert, d. h., an die massiven Stäbe sind lamellierte Bleche angeschweißt, deren Blätterung das gleiche Profil ergibt, wie es der massive Stab aufweist. An ihren Enden sind die Stäbe 12 zum Kurzschlußring 14 abgebogen, mit dem sie durch,die Schrauben 16 verbunden sind.Due to the size of the asynchronous machine shown in FIGS. 3 and 4, special attention must be paid to the connection of the rods 12 to the short-circuit ring. With regard to the centrifugal forces that occur, the solid rods 12, which are insulated and pushed into the groove, are leafed through at the ends 15 emerging from the groove, i. In other words, laminated metal sheets are welded to the solid bars, the foliage of which results in the same profile as the solid bar. At their ends, the rods 12 are bent to form the short-circuit ring 14, with which they are connected by the screws 16 .

Die Stäbe12 verlaufen mit ihren geblätterten Enden 15 nach dem Austritt aus der Nut wellenförmig, so daß sie isich mit zunehmender Fliehkraft strecken und an der Kappe 17 abstützen. Durch diese nachgiebige Verbindung werden Wärmeausdehnungen ermöglicht, so daß ein Abreißen des Stabes vom Kurzschlußring vermieden wird.The rods 12 with their peeled ends 15 run in a wave-like manner after exiting the groove, so that they stretch with increasing centrifugal force and are supported on the cap 17 . This flexible connection enables thermal expansions so that the rod is prevented from tearing off the short-circuit ring.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Asynchronous machine in turbo design, in particular asynchronous machine with high performance with a small number of poles, with solid rotor ball and lamellated rotor teeth inserted therein, which are provided with shoulders on the groove base, characterized in that the shoulders (7, 8) form one by overlapping Magnetically well-conducting laminated ring (2) along the circumference of the massive rotor ball results in electrically conductive short-circuit circuits for the currents induced by the slot harmonics of the stator during the holding, g and fastening of the laminated rotor teeth and t that the winding of the Runner forming rods (12) insulated in, the runner grooves are embedded.

2. Asynchronous machine according to claim 1, characterized in that the overlap points between the approaches of adjacent teeth (3) are located on the groove base. 3. Asynchronous machine according to claim 1, characterized in that the points of overlap between the approaches of adjacent teeth (3) are in the center of the tooth. 4. Asynchronous machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ra, Diale height (h) of the lugs (7, 8) is approximately equal to the width of a tooth (3) on the grooves # base. 5. Asynchronous machine according to claim 1, characterized in that the metal sheets of the rotor teeth (3) are each pressed together by two bolts arranged isolated in the center plane of a tooth, one of which is located at the tooth head and the other is located near the solid rotor ball . Considered publications: German Patent Nos. 539 758, 633 957, 759 306; British Patent No. 296 299.