DE19546689A1 - Einfahren eines Läufers mit Permanentmagneten in den Ständer einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfahren eines mit Permanentmagneten ver­ sehenen Läufers in den Ständer einer rotatorischen elektrischen Maschine, insbeson­ dere elektrische Großmaschine, z. B. Generator, mit einem zylindrischen Ständer mit Eisenkern und Ständerwicklung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

Es ist bekannt, daß rotatorische elektrische Maschinen prinzipiell aus einem Ständer (Stator) und einem hiermit in Wechselwirkung tretenden Läufer (Rotor), der im Ständer drehbar gelagert ist und von diesem konzentrisch umfaßt ist, gebildet sind. Hierbei weisen sowohl der Ständer als auch der Rotor jeweils eigene Wicklungen auf, denen jeweils ein Eisenkern zugeordnet ist. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein defi­ nierter Luftspalt vorgesehen, der dazu dient, die Drehung des Rotors zu ermöglichen.

Ferner ist bekannt, daß die vom Läuferstrom erzeugte Induktion im Luftspalt nur die Blindleistung, nicht aber die Wirkleistung bestimmt. Um hier abzuhelfen, ist vorge­ schlagen worden, zumindest einen Teil der Luftspaltinduktion mit Hilfe von Permanent­ magneten zu erzeugen, die achsparallel am Umfang des Läufers angeordnet sind.

Bei der Montage einer elektrischen Großmaschine, insbesondere beim Einführen dem Läufers in den Ständer ist besondere Sorgfalt von Nöten, um mechanische Schäden zu verhindern, die durch ein Anlegen des Läufers an der Ständerinnenrohrfläche verur­ sacht werden. Dem entsprechend ist eine präzise Zentrierung des Läufers in Bezug auf die Ständerbohrung erforderlich, wobei insbesondere bei Großmaschinen das hohe Läufergewicht mechanisch zu beherrschen ist.

Bei elektrischen Großmaschinen, deren Läufer, wie erwähnt, mit Permanentmagneten bestückt ist, resultiert ein weiteres Problem infolge der von den Permanentmagneten ausgehenden Magnetkraft, die mit dem Eisen des Ständers in Wechselwirkung tritt. Hierdurch wird der Läufer einer zusätzlichen Radialkraftkomponente ausgesetzt, die das Einführen des Läufers in den Ständer wesentlich erschwert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die erwähnten Schwierigkeiten über­ wunden werden und das Einfahren des Läufers in den Ständer auf einfache Weise si­ cher durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserun­ gen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Entsprechend der Erfindung ist zur Verhinderung eines von den Permanentmagneten ausgehenden Hafteffektes infolge der Wechselwirkung magnetischer Kräfte zwischen dem Permanentmagneten im Läufer und dem Ständereisen ein magnetisches Gegen­ feld vorgesehen, welches wahlweise im Ständer oder im Läufer erzeugt wird, indem entweder die Ständerwicklung oder die Erregerwicklung im Läufer mit Gleichstrom ge­ speist wird.

Indem also die von den Permanentmagneten ausgehenden Felder durch künstlich er­ zeugte Gegenfelder kompensiert werden, kann das Einfahren der fortschrittlichen, mit Permanentmagneten bestückten Läufer in den betreffenden Ständer nach herkömmli­ cher Weise vorgenommen werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß infolge magneti­ scher Zusatzkräfte eine radiale Auslenkung des Läufers erfolgt, welche zu einer Behin­ derung der Montage und gegebenenfalls sogar zu einer Beschädigung des Läufers und/oder des Ständers führt.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in jeder Einzelphase der Ständerwicklung zu jeder Läuferposition ein dem Magnetfeld des Permanentmagneten entsprechendes Gegenfeld erzeugt wird, welches den durch das Magnetfeld der Permanentmagneten verursachten Hafteffekt aufhebt.

Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Erregerwicklung des Läufers ein Feld erzeugt wird, das dem von den Per­ manentmagneten erzeugten Magnetfeld entgegengerichtet ist und die hiervon ausge­ hende Haftkraft am Ständereisen aufhebt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein daß die jeweilige Feldstärke der Permanentmagneten unter Einsatz von sogenannten Hall- Effekt-Sensoren erfaßt wird und daß diese für die Einstellung der Stromstärke des Kompensationsstromes in der Ständerwicklung herangezogen wird. Hierdurch ist ge­ währleistet, daß die Stärke des Gegenfeldes stets nur der Größe des von den Perma­ nentmagneten ausgehenden Feldes entspricht.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die von den Hall-Effekt-Sensoren erfaßten Kennwerte in einer Steuerelektronik verarbeitet werden, welche zur Einstellung der Stromstärke dient, welche zur Erzeugung des Ge­ genfeldes in der Ständerwicklung in jeder Ständerphase erforderlich ist.

Eine Vorrichtung, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, weist einen zylindrischen Ständer mit einer Ständerwicklung und zugeordneten Eisenkern sowie einen mit Permanentmagneten versehenen Läufer auf.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zur Erfassung des von den Permanentmagneten ausgehenden Magnetfeldes sogenannte Hall-Effekt-Sensoren vorgesehen, welche am Innenumfang des Ständer gleichmäßig verteilt an­ geordnet sind. Hierbei ist die Lage der Hall-Effekt-Sensoren so vorgesehen, daß ihr Abstand zu den Permanentmagneten nicht größer ist als der des der Ständerwicklung zugeordneten Eisenkerns.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung arbeiten die Hall-Effekt-Sensoren mit einer Steuerelektronik zusammen, welche abhängig vom jeweiligen Hall-Sensor erfaßten Wert die entsprechende Stromstärke für die zugeordnete Phase der Ständerwicklung einstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind insgesamt vier Hall- Effekt-Sensoren vorgesehen, die jeweils um 90°C zu einander versetzt am Innenum­ fang des Ständers angeordnet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Hall-Effekt-Sensoren in Führungen angeordnet, die am Innenumfang des Ständers hierfür vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, daß die Hall-Effekt-Sensoren nur für die Dauer der Montage des Läufers im Ständer angeordnet sind und anschließend entfernt werden können.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, sollen die Erfin­ dung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besonde­ re Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schemaskizze für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Angabe der Ständerwicklungen,

Fig. 2 eine Variante zur Anordnung gemäß Fig. 1 mit der Angabe der Läuferwicklung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine elektrische Maschine (10) mit einem zylindrischen Ständer (12) und einem hier zentrisch angeordneten Läufer (14) dargestellt, wobei der Läufer (14) an zwei gegenüberliegenden Seiten mit Permanent­ magneten (16) versehen ist. Zwischen der Umfangsfläche des Läufers (14) und der inneren Umfangsfläche des Ständers (12) befindet sich ein Luftspalt (18).

An diesen Luftspalt (18) angrenzend sind an der Innenbohrung des Ständers (12) vier jeweils um 90°C zueinander versetzt angeordnete sogenannte Hall-Effekt-Sensoren (20) vorgesehen, welche dazu dienen, die von den Permanentmagneten (16) ausge­ hende magnetische Feldstärke zu erfassen und die gefundenen Meßwerte als Signal einem Steuergerät (22) zuzuführen.

Das Steuergerät (22) ist über Signalleitungen (24) mit jedem der Hall-Effekt-Sensoren (20) verbunden, welche ein Signal liefern, welches zur Einstellung eines zur Erregung der Erregerwicklungen (12.1, 12.2, 12.3) des Ständers (12) dienenden Gleichstromes vorgesehen sind. Hierbei ist der Betrag des Gleichstroms in jeder Ständerphase (12.1, 12.2, 12.3) so eingestellt, daß die Ständerströme genau das Gegenfeld der Perma­ nentmagnete (16) in jeder Läuferposition erzeugen. Die Vorgaben hierzu werden von den Hall-Sensoren (20) an das Steuergerät (22) signalisiert, wobei aus den Signalen der Hall-Sensoren (20) auch die Information über die jeweilige Läuferposition zu ent­ nehmen ist, aufgrund deren die Ständerströme eingestellt werden, um die resultierende magnetische Zugkraft auszugleichen.

In Fig. 2 ist eine Alternative zur Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt, wobei auch hier eine elektrische Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem Läufer (14) dargestellt ist, wobei der Läufer (14) ebenfalls mit Permanentmagneten (16) bestückt ist. Ebenfalls vorgesehen ist ein Luftspalt (18), an welchen Hall-Effekt-Sensoren (20) angrenzen, die gleichmäßig verteilt an der Innenbohrung des Ständers (12) angeordnet sind und mit einem Steuergerät (22) über Leitungen (24) verbunden sind. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird bei der Anordnung gemäß Fig. 2 jedoch eine im Läu­ fer (14) angeordnete Erregerwicklung (15) vom Steuergerät (22) mit Gleichstrom ge­ speist, wobei die Stromstärke anhand der von dem Hall-Sensoren (20) erhaltenen Si­ gnale so eingestellt ist, daß das hieraus resultierende Magnetfeld dem von den Per­ manentmagneten (16) ausgehenden Magnetfeld entgegengerichtet ist und dessen Wir­ kung aufhebt. Auf diese Weise kann mit dem der Erregerwicklung (15) zugeführten Gleichstrom das resultierende Feld des Läufers (14) minimiert werden, so daß zwi­ schen dem Läufer (14) und dem Ständer (12) keine deutliche magnetische Kraft mehr wirksam ist.

Beide Anordnungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sind für die Montagephase vorgesehen, das heißt für den Vorgang des Einfahrens des Läufers (14) in den Ständer (12) der elektrischen Maschine (10). Sobald die Montage abgeschlossen ist, wird die Verbin­ dung zum Steuergerät (22) beseitigt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Einfahren eines mit Permanentmagneten (16) versehenen Läu­ fers (14) mit in den Ständer (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere elek­ trische Großmaschine, zum Beispiel Generator, mit einem zylindrischen Ständer (12) mit Eisenkern und Ständerwicklung (12.1, 12.2, 12.3), dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung eines von den Permanentmagneten (16) ausgehenden Hafteffektes infolge der Wechselwirkung magnetischer Kräfte zwischen den Permanentmagneten (16) im Läufer (14) und dem Ständereisen ein magnetisches Gegenfeld erzeugt wird, indem die Ständerwicklung (12.1, 12.2, 12.3) und/oder die Erregerwicklung (15) des Läufers (14) mit Gleichstrom gespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Einzelphase der Ständerwicklung (12.1, 12.2, 12.3) zu jeder Läuferposition ein dem Magnetfeld des Permanentmagneten (16) entsprechendes Gegenfeld und in der Läuferwicklung (15) ein Feld erzeugt werden, welches den durch das Magnetfeld der Permanentmagneten (16) verursachten Hafteffekt aufhebt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Läuferwick­ lung ein Feld erzeugt wird, das dem von den Permanentmagneten (16) erzeugten Ma­ gnetfeld entgegengerichtet ist und die hiervon ausgehende Haftkraft am Ständereisen aufhebt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hall-Effekt-Sensoren (20) die jeweilige Feldstärke der Permanentmagneten (16) erfaßt wird, welche zur Einstellung der Stromstärke des das Gegenfeld erzeugen­ den Stromes herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke zur Erzeugung des Gegenfeldes in der Ständerwicklung in jeder Ständerphase von einer Steuerelektronik eingestellt wird, die von den Hall-Effekt- Sensoren angesteuert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem zylindrischen Ständer (12) mit einer Ständerwicklung (12.1, 12.2,12.3) und einem mit Permanentmagneten (16) versehenen Läufer (14), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der von den Permanentmagneten (16) ausgehenden Magnetfeldes Hall-Effekt-Sensoren (20) vorgesehen sind, die am Innenumfang des Ständers (12) gleichmäßig verteilt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Effekt- Sensoren (20) mit einer Steuerelektronik (22) zusammenarbeiten, welche abhängig von dem vom jeweiligen Hall-Sensor (20) erfaßten Wert die entsprechende Stromstärke für die zugeordnete Phase der Ständerwicklung (12.1, 12.2, 12.3) einstellt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vier Hall-Effekt-Sensoren (20) jeweils um 90° zueinander versetzt am Innenumfang des Ständers (12) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Effekt-Sensoren (20) in Führungen angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Effekt-Sensoren (20) nur für die Dauer der Montage des Läufers (14) im Ständer (12) angeordnet sind.