DE1613065C - Dämpferwicklung für elektrische Maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpferwick-. lung für elektrische Maschinen, bestehend aus in Reihe geschalteten, den Blechpaketrücken umschlingenden Windungen, welche derart angeordnet sind, daß das Maschinenhauptdrehfeld keine Dämpferströme induziert.

Bei ideal angenommenen elektrischen Maschinen ist das Ringintegral der magnetischen Feldstärke, über den Ständer- oder Läuferrückenumfang gemessen, gleich Null. Magnetische Unsymmetrien an Maschinen, in deren Folge das Integral von Null verschieden ist, bewirken eine resultierende Feldstärke, die einen »Ringfluß« im Rücken hervorruft. Dieser zeitlich veränderliche Ringfluß umschließt die Welle und induziert in der Welle eine Spannung, die einen entsprechenden elektrischen Strom zur Folge hat, wenn die beiden Wellenenden über zugehörige Lager und über die Maschinenkonstruktion elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Vor allem an größeren elektrischen Maschinen sind magnetische Unsymmetrien im Joch durch Inhomogenitäten des Blechpaketaufbaus, z. B. durch Stoßfugen bei Segmentblechschnitten oder durch Trennfugen bei geteilten Ständerblechpaketen, unvermeidbar. Die resultierenden Wellenspannungen sind nicht selten so groß, daß es zu Durchschlägen in den Schmierfilmschichten der Lager kommt und der über die Laufflächen der Lager fließende elektrische Strom die Lager in relativ kurzer Zeit zerstört. An größeren elektrischen Maschinen, vor allem solchen mit segmentierten und/oder geteilten Blechpaketen, müssen deshalb unbedingt Maßnahmen ergriffen werden, die die über die Laufflächen der Lager fließenden Ströme vermeiden oder in tragbaren Grenzen halten.

Es ist bekannt, die Lagerströme durch eine elektrische Isolation des dem Antrieb abgewandten Motorlagers zu unterbinden [ETZ-A 85 (1964), S. 106 bis 112]. Meistens wird die Isolierung je nach konstruktiver Ausführung der elektrischen Maschine zwischen Lagerbock und Grundrahmen bzw. zwischen Lagerschild und Gehäuse angebracht. Es müssen dabei auch alle Befestigungsschrauben und Paßstifte isoliert werden, und es ist streng darauf zu achten, daß die Isolierung nicht durch ölanschlüsse oder Lagerthermometer überbrückt wird. Es besteht demnach die Gefahr, daß die Lagerisolation bei nachträglichen Arbeiten am Einsatzort beschädigt wird. Die Lagerisolation versagt in bestimmten Fällen oder ist gar nicht ausführbar, wie z. B. an Maschinen mit zwei Wellenenden, bei denen nicht eine Kupplung isoliert werden kann, oder an Sattelmotoren mit durchgehender Welle zum Antrieb von Kolbenverdichtern. Es ist ferner bekannt, die induzierte Wellenspannung mit Hilfe eines sogenannten Wellentransformators zu kompensieren. Bei dieser Lösung sind auf einem die Welle umschlingenden Joch eine oder mehrere Spulen angeordnet, die an eine fremde Spannungsquelle solcher Größe, Frequenz und Phasenlage angeschlossen werden, daß der von ihnen erregte Jochfluß in der aus Welle und Gehäuse gebildeten Schleife eine Spannung induziert, die der Wellenspannung entgegengesetzt gleich ist. Nachteil dieser Kompensationseinrichtung ist, daß die Spannungsquelle wegen der theoretisch schwierigen exakten Vorausberechnung der Wellenspannung fein gestufte Anzapfungen zur Einstellung von Größe und Phasenlage der Speisespannung aufweisen muß, so daß der Aufwand um so größer wird, je mehr Frequenzkomponenten der Wellenspannung kompensiert werden sollen. Außerdem wird die Einstellung der Kompensationsspannung dadurch erschwert, daß die Kompensation für die induzierte Wellenspannung, d. h. bei verschwindendem Lagerstrom, durchzuführen ist.

Es ist schließlich bekannt, daß geteilte Ständerblechpakete nur bei bestimmten Polzahlen zu sehr großen Wellenspannungen führen. Durch asymmetrische Teilung des Pakets kann man an Maschinen mit geradzahligen Polpaarzahlen die Ausbildung von Wellenspannungen unterdrücken. Hiermit läßt sich im allgemeinen lediglich erreichen, daß durch die Auswirkungen des Hauptfeldes der Polpaarzahl ρ keine Wellenspannung induziert wird, aber nicht unbedingt gleichzeitig, daß auch durch die Auswirkungen der Flußoberfelder keine Wellenspannung induziert wird. Darüber hinaus erfordert diese Maßnahme in

' vielen Fällen einen hohen technischen Aufwand.

Ferner sind Dämpferwicklungen für elektrische Synchronmaschinen, bestehend aus in Reihe geschalteten, den Blechpaketrücken des Ständers umschlingenden Windungen bekannt, die sich über den Rükken des aktiven Bleches schließen und an Drehstrommaschinen im Normalzustand keinen Strom führen (deutsche Patentschrift 824 370). Diese Dämpferwicklungen dienen zur Dämpfung solcher Flußpul^ sationen, die nicht nur das Joch, sondern auch die Wicklungen und die Pole der Maschine durchsetzen und sich somit über 'den Luftspalt der Maschine schließen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die Wellenspannung an elektrischen Maschinen dadurch zu unterdrücken, daß der durch magnetische Unsymmetrien im Blechpaketrücken verursachte Ringfluß durch die Anordnung und Ausbildung einer Dämpferwicklung auf unkritische Werte abgedämpft wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Dämpferwicklung für elektrische Maschinen der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine solche Anzahl D von Windungen gleichmäßig über

einen Umfangswinkel ~γ- verteilt angeordnet ist, daß für das Maschinenhauptdrehfeld der Polpaar-

zahl v = p und für diejenigen Induktionsdrehfelder der Polpaarzahl v, die ebenfalls keine Dämpferströme

verursachen sollen, der Quotient -j gleich einer ganzen Zahl und nicht durch die Anzahl D der Windungen teilbar ist.

Durch diese Dämpferwicklungsanordnung ist der Vorteil gegeben, daß die induzierte Wellenspannung, die die Ursache der störenden Lagerströme ist, in universell anwendbarer, wirkungsvoller und wenig aufwendiger Weise auf unkritische Werte abgedämpft werden kann. Dabei ist es von Vorteil, daß die erfindungsgemäße Dämpferwicklung in den meisten Fällen auch noch in bereits fertiggestellten Maschinen dann eingebracht werden kann, wenn sich nachträglieh die Dämpfung der Lagerströme als notwendig erweisen sollte.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Dämpferwicklung und die für sie maßgeblichen Auslegungsbedingungen lassen sich am übersichtlichsten mit Hilfe der Drehfeldtheorie erklären.

Im Luftspalt von elektrischen Maschinen bilden sich bekanntlich neben dem Grundfeld sogenannte Oberfelder aus, die gekennzeichnet sind durch ihre Amplitude, ihre Frequenz und ihre Wellenlänge oder Polpaarzahl. Die einzelnen Komponenten dieses Luftspaltfeldes (Induktionsdrehwellen) haben ihre Ursache in der diskontinuierlichen Verteilung der Ständerwicklung in den einzelnen Nuten der Maschine, in den Schwankungen des magnetischen Leitwertes infolge der Nutung und in zufälligen Exzentrizitäten des Läufers. Sie sind von der Form

b_v{x;t) = % · cos(i· · x-f/;_v · t-rv)· (1)
Dabei bezeichnen B_v die Amplitude, ν die Polpaarzahl, f-j_v die Kreisfrequenz des Oberfeldes, </·_ν seinen Zeitphasenwinkel, χ eine Koordinate im Bogenmaß, bezogen auf ein im Ständer ruhendes Koordinatensystem, und t die Zeit.

Eine solche Induktionsdrehwelle bewirkt eine Rükkeninduktion, die sich durch die Gleichung

b_v{x;t) = %*■ sin (ι· · χ - «>_v · t - 7 _v) (2)
darstellen läßt und der die Feldstärke

h_Rv{x;t) =-

B«

; 0

■ sin (j· · χ — cu_v · t — <p_v) (3)

entspricht, wenn μ die Permeabilität bezeichnet.

Bei einem homogenen Rückenaufbau ist das Ringintegral dieser Feldstärke (magnetische Spannung) über den gesamten Umfang (x = 0 bis 2 .-τ) gleich Null, d. h., es tritt kein resultierender Ringfluß im Rücken auf. Bei inhomogenem Aufbau des Blechpaketrückens (vgl. Bezugszeichen 1 in Bild 1 der Zeichnung), der in der Praxis am häufigsten gegeben ist durch eine Anzahl s Stellen erhöhten magnetischen Widerstandes der Länge <)_s (vgl. Bezugszeichen 2 in

Bild 1 der Zeichnung), die um den Winkel —;— ver-

et * S

setzt im Ständerrücken, z. B. in Form von Stoßstellen der Segmente, auftreten, kann dagegen eine von Null verschiedene resultierende magnetische Spannung auftreten.
Wählt man das Koordinatensystem so, daß die erste

dieser s Stellen bei χ = X₁ -\ ;— liegt, so beträgt

£2*5

die magnetische Spannung der Rückeninduktion einer Induktionsdrehwelle entsprechend Gleichung (1) über die n-te Stelle

u_Rv(n;t) =

sin(- ω_ν· t + [y-x_n -

und die gesamte magnetische Spannung über die s Stellen

= «5

μο fzi μΛ·

-. τ- · sin ( —

(n;t) \

ω_ν ■ t — φ_ν + ν · X₁ + n_v ·

2 π a · s

Für den Fall, daß μ_κ für alle s Stellen gleich ist, beträgt die resultierende magnetische Spannung:

sin —

sin

Sin (— ω_ν ■ t — φ_ν + ν ■ X₁ +

In den Fällen, in denen — ganzzahlig und nicht

durch die Anzahl s teilbar ist, wird die resultierende magnetische Spannung gleich Null, und es tritt somit der Ringfluß, de,r die Ursache der Wellenspannungen ist, nicht auf. Aus den erläuterten Beziehungen ergeben sich somit die Bedingungen für die Anordnung der Teilungsfugen, die die Bildung einer Wellenspannung verhindern soll. In allen anderen Fällen tritt eine von Null verschiedene, resultierende magnetische Spannung auf, die einen Ringfluß im Rücken und damit eine Wellenspannung bewirkt.

Der vorliegenden Erfindung entsprechend werden nun nach Bild 2 Dämpferwindungen 2, die den Rükken 1 der Maschine in einer Anzahl D umschlingen,

im Winkelabstand von -~= angeordnet. Die dann von der Rückeninduktion einer Induktionsdrehwelle

5 6

entsprechend Gleichung (1) in der d-ten Dämpferspule induzierte Spannung beträgt

u_idv{t) = B_Rv ■ F_Rv ■ ω_ν · sin^ - cü_v · t - <p_v + -^- + ν ■ X₁ + d ■ ν ■ ,

und die resultierende Spannung in sämtlichen D Spulen

• Λ λ ,D ^_x ^sm \T' ⁷¹J

M,_v(i) =YZ "/-v(0 = ß_Kv ■ Fä, ■ ω_ν -7Z-T ' ^ (8)

^α = ' sin

. . . ( TC D + 1

mit A = sin I- ω_νί - φ_ν + — + ν ■ X₁ H —

Ein Ringfluß im Rücken, der eine Wellenspannung Forderung ableiten, daß für alle Felder der Polpaar-

induziert, wird deshalb in einer solchen Summe von 20 zahl v_N, die keine Dämpferströme verursachen sollen,

D gleichsinnig hintereinandergeschalteten Dämpfer- die Summenspannung w_iv(i) nach Gleichung (8) Null

windungen immer eine von Null verschiedene Span- sein muß. Diese Forderung ist stets dann erfüllt, wenn

nung induzieren, die einen Strom bewirkt, dessen v» ■ -71, . · u* j u η * -iu

Gegenfeld dann den primären Ringfluß dämpft. ~f ^eine §^{anze Zahl und mcht durch D tellbar ist}

Die Auslegungsbedingungen für die erfindungs- 25 Es lassen sich hieraus die freien Parameter β und D

gemäße Dämpferwicklung lassen sich also aus der für die Anordnung der Dämpferwicklung bestimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Dämpferwicklung für elektrische Maschinen, bestehend aus in Reihe geschalteten, den Blechpaketrücken umschlingenden Windungen, welche derart angeordnet sind, daß das Maschinenhauptdrehfeld keine "Dämpferströme induziert, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Anzahl D von Windungen gleichmäßig

   über einen Umfangswinkel von ~- verteilt angeordnet ist, daß für das Maschinenhauptdrehfeld der Polpaarzahl ν — ρ und für diejenigen Induktionsdrehfelder der Polpaarzahl υ, die ebenfalls keine Dämpferströme verursachen sollen, der Quotient

   ~ gleich einer ganzen Zahl und nicht durch die Anzahl D der Windungen teilbar ist.