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Dokumentenidentifikation DE10121022A1 07.11.2002
Titel Elektrische Maschine
Anmelder Voith Siemens Hydro Power Generation GmbH & Co. KG, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Reppe, Klaus, 13599 Berlin, DE
Vertreter Dr. Weitzel & Partner, 89522 Heidenheim
DE-Anmeldedatum 28.04.2001
DE-Aktenzeichen 10121022
Offenlegungstag 07.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.11.2002
IPC-Hauptklasse H02K 19/22
IPC-Nebenklasse H02K 1/24   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schenkelpol-Synchronmaschine;
- mit einem Stator und einem Rotor, die einen Luftspalt zwischen sich bilden;
- der Stator oder der Rotor weisen Polschuhe auf;
- die Polschuhe tragen Feldwicklungen.
Die Erfindung ist gekennzeichnet mit dem folgenden Merkmal:
- die Polschuhe sind - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Schenkelpolmaschine.

Solche Maschinen weisen einen Stator und einen Rotor auf. Dem Rotor sind Polschuhe zugeordnet. Die Polschuhe tragen eine Feldwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Erregerfeldes im Luftspalt. Im feststehenden Stator sind Ankerwicklungen vorgesehen.

Die Kontur der Polschuhe ist bei einer Schenkelpolmaschine im allgemeinen derart gestaltet, daß im Luftspalt bei Leerlauf ein nahezu sinusförmiger Induktionsverlauf herrscht.

Es ist bekannt, daß die Induktion bei Nennlast (= Wirklast) größer ist, als bei Leerlauf. Unter Last muß aber mit Zahn- und Rotorpolsättigung im Bereich der Umfangskraftbildung gerechnet werden. Dies führt zu erhöhten Verlusten in der Statorwicklung sowie zu den sogenannten Löwenherzverlusten mit dem Zahnentlastungsfeld als Ursache. Aufgrund der Sättigung ist außerdem die Berechnung des Erregerstromes mit Unsicherheiten behaftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schenkelpolmaschine derart zu gestalten, daß die genannten Löwenherzverluste verringert oder vermieden werden, und daß sich der erforderliche Erregerstrom genauer berechnen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß werden die Polschuhe - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert. Der Größtwert befindet sich somit an der Kraftangriffsseite.

Der Erfinder hat folgendes erkannt: Beim Übergang vom Leerlauf zur Nennlast tritt an einer Seite des Polschuhes - in Umlaufrichtung des Rotors gesehen - eine starke Erhöhung der Induktion auf. Dabei handelt es sich um jene Seite des Polschuhes, an der die drehmomentbildende Kraft angreift. Wird der Polschuh aber gemäß der Erfindung asymmetrisch gestaltet, daß sich der Luftspalt - in Umfangsrichtung des Rotors gesehen - einseitig aufweitet, so wird die Induktion über dem Schenkelpolschuh vergleichmäßigt. Dadurch wird von der magnetischen Kraft - genauer gesagt von deren Tangentialkomponente - bereits etwa die Hälfte des Drehmomentes gebildet.

Man könnte die genannte erfindungsgemäße Maßnahme mit der Flügelverstellung von Windrotoren vergleichen. Analog hierzu könnte daran gedacht werden, auch die Pole beziehungsweise deren geometrische Konfiguration veränderbar zu machen und der jeweiligen Belastung anzupassen. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig, da viele - elektrische Maschinen bei ständig gleichbleibender Nennlast laufen, zum Beispiel Generatoren von Wasserkraftanlägen. Deshalb kann die Polschuhform von vornherein derart gestaltet werden, daß sich bei Nennlast die optimale Induktion ergibt.

Die Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil. Da die Amplitude der Spannung etwa in der Polmitte, also in der magnetischen Hauptachse liegt, verbessert sich die Stabilität. Die Erregerwicklung liegt dabei nicht mehr ausschließlich in der magnetischen Längsachse des Polschuhs.

Die Erfindung läßt sich auch bei Wasserkraftanlagen mit Pumpenturbinen anwenden. Bei Motorbetrieb kehrt sich nämlich die Drehrichtung gegenüber dem Generatorbetrieb um. Was sich jedoch nicht umkehrt, ist die Richtung des Drehmomentes, die allein durch die erfindungsgemäßen asymmetrischen Polschuhe vorgegeben ist.

Der Gedanke asymmetrischer Polschuhe konnte bisher deshalb nicht aufkommen, weil der Fachmann dabei nur Nachteile sehen mußte. Das Problem trat auch erst auf, als man die Maschinen immer höher ausnutzte, das heißt mit höherem Induktionsbetrieb. Tatsächlich ist das Verhalten einer Maschine mit asymmetrischen Polschuhen im Leerlauf ungünstiger, da die Spannungskurve durch die Asymmetrie ungünstiger wird und da im Leerlauf Löwenherzverluste auftreten. Entscheidend ist jedoch, daß bei Nennlast die Verluste minimiert werden und damit der Betrieb optimal wird. Man könnte somit bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Polschuhform von einer Lastfall-optimierten Form sprechen.

Zusammenfassend ergibt die Erfindung die folgenden Vorteile:

  • 1. Die Löwenherzverluste (Längsfeld-Verluste) in der Ständerentwicklung entfallen bei Nennlast fast vollständig.
  • 2. Die stromabhängigen Verluste in der Polschuh-Oberfläche durch endliche Nutzahl gehen bei Nennlast auch deutlich zurück.
  • 3. Die Polhörner werden bei Nennlast von extremer Sättigung entlastet; damit läßt sich der Erregerstrom genauer berechnen.
  • 4. Die statische und dynamische Stabilität sind bei Nennlast größer, als bei konventionellen Polschuhen, bei gleichem Erregerstrom.
  • 5. Die Feldkurve bei Nennlast läßt sich an die Idealform anpassen.
  • 6. Es lassen sich erfindungsgemäße Generatoren auch bei Pumpenturbinen anwenden, ungeachtet der Änderung der Drehrichtung.

Die Erfindung und der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 veranschaulicht einen asymmetrischen Polschuh mit zugehörendem Induktionsdiagramm.

Fig. 2 veranschaulicht einen konventionellen Polschuh mit zugehörendem Induktionsdiagramm.

Fig. 3 veranschaulicht den Verlauf der Verluste in der Ständerwicklung durch das Zahnentlastungsfeld über der Last, und zwar für erfindungsgemäße und für konventionelle Polschuhe.

Fig. 4 ist ein Leistungsdiagramm, das die statische und dynamische Stabilität bei asymmetrischen und konventionellen Polschuhen wiedergibt.


Anspruch[de]
  1. 1. Schenkelpol-Synchronmaschine;
    1. 1. 1.1 mit einem Stator und einem Rotor, die einen Luftspalt zwischen sich bilden;
    2. 2. 1.2 der Stator oder der Rotor weisen Polschuhe auf;
    3. 3. 1.3 die Polschuhe tragen Feldwicklungen;
    4. 4. 1.4 die Polschuhe sind - in einem achssenkrechten Schnitt gesehen - derart gestaltet, daß sich der Luftspalt in Umlaufrichtung des Rotors vergrößert.






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