Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Luftspaltes einer großen elektrischen Maschine, beispielsweise eines Generators oder Motor-Generators für ein Wasserkraftwerk. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Nachrüstung einer bestehenden elektrischen Maschine mit einer solchen Vorrichtung. Vorrichtungen zur Überwachung des Luftspaltes einer großen elektrischen Maschine, d.h. des radialen Spalts zwischen dem Rotor und dem Stator einer solchen elektrischen Maschine, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Hierzu sei auf die WO 01/47092 AI verwiesen. Üblicherweise verwenden bekannte gattungsgemäße Vorrichtungen kapazitive Sensoren für die Überwachung des Luftspaltes. Siehe hierzu beispielsweise die DE 10 2014 202 695 AI.

Die Verwendung von kapazitiven Sensoren impliziert eine Reihe von Nachteilen. Kapazitive Sensoren weisen bei zu messenden Luftspalten, die größer als 10 mm sind, große relative Messfehler auf, so dass bei Luftspalten von mehr als 50 mm solche Sensoren nicht mehr eingesetzt werden können. Weiter sind kapazitive Sensoren relativ großflächig, so dass ihre Verwendung oft den Fluss des Kühlmediums behindert, z.B. weil die Sensoren mehrere Öffnungen für den Kühllufteintritt versperren. Außerdem sind kapazitive Sensoren empfindlich gegenüber Verschmutzung (des Sensors oder der Rotor-Pole), da sich dadurch der gemessene Wert verändern kann. Weiter ist ein Nachrüsten dieser kapazitiven Sensoren sehr aufwändig, da insbesondere dann, wenn sie in der Maschinenmitte angebracht werden sollen, ein Ausbau eines Poles oder sogar des kompletten Rotors erforderlich ist. Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, die genannten Nachteile zu beheben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Diese Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Nachrüsten einer elektrischen Maschine mit einer solchen Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrowellen-Radarsystem als Sensor verwendet, um die Weite des Luftspaltes sehr genau zu bestimmen. Das Radarsystem umfasst eine Sende- und Empfangseinheit und eine Antenne. Von der Sende- und Empfangseinheit erzeugte Mikrowellen werden in die Antenne eingespeist. Die Antenne ist so angeordnet, dass ihre Mündung, d.h. das Ende der Antenne, das die Strahlung aussendet und aufnimmt, bündig mit der einen Seite des Luftspaltes abschließt, so dass von der Mündung der Antenne austretende Mikrowellen den Luftspalt in radialer Richtung durchqueren und von der gegenüberliegenden Seite des Luftspaltes reflektiert werden. Das Reflexionssignal wird von der Antenne aufgenommen und an die Sende- und Empfangseinheit übermittelt. Daraus kann die Weite des Luftspaltes bestimmt werden.

Das Mikrowellen-Radarsystem kann dabei entweder auf dem Rotor oder auf dem Stator angeordnet sein. Zur vollständigen Erfassung aller mit dem Luftspalt verbundenen Kenngrößen (z.B. Exzentrizität, Ovalität, Schrägstellung der Achse, etc.) werden mehrere an unterschiedlichen Stellen angeordnete Sensoren benötigt. Daher ist auch eine Kombination von Sensoren auf dem Rotor und dem Stator denkbar, wobei die meisten der Sensoren auf dem Stator angeordnet sind (vgl. die WO 01/47092 AI). Die vorgeschlagenen radarbasierten Sensoren haben eine höhere Genauigkeit als die bekannten kapazitiven Sensoren. Außerdem sind radarbasierte Sensoren nicht anfällig gegenüber von Verschmutzung. Die einzige Randbedingung besteht darin, dass das Radarsignal nur von metallischen Gegenständen reflektiert wird. Das ist jedoch gegeben, da sowohl die Pole des Rotors als auch die Statorinnenwand die Radarsignale reflektieren. Da an den Luftspalt nur die Mündung der Antenne angrenzt und die Sende- und Empfangseinheit weit vom Luftspalt entfernt sein kann, wird die Kühlung der elektrischen Maschine sehr viel weniger beeinträchtigt, als bei der Verwendung von kapazitiven Sensoren.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung kann bei den Sensoren erzielt werden, die auf dem Stator angeordnet sind. Hier kann die Antenne in einem Lüftungsschlitz angeordnet sein, und die Kabel zwischen der Sende- und Empfangseinheit und der Antenne in demselben Lüftungsschlitz verlaufen. Dabei wird nur ein Lüftungsschlitz pro Sensor blockiert. Die Sende- und Empfangseinheit befindet sich somit außerhalb des Statorkerns und ist gut zugänglich, was insbesondere die Führung der von der Steuer- bzw. Monitoring-Einheit der elektrischen Maschine zur Sende- und Empfangsreinheit führenden Kabel erheblich vereinfacht. Als Lüftungsschlitz wird hier ein Kanal im Statorblechpaket verstanden, der dieses in radialer Richtung durchdringt. In der Regel werden solche Lüftungsschlitze in axialer Richtung durch Bleche des Statorblechpakets und in Umfangsrichtung durch Stützstege begrenzt.

Aus dem Gesagten ist klar, dass die Nachrüstung einer bestehenden Maschine mit einem solchen Stator-seitig angeordneten Radar-Sensor besonders einfach und kostengünstig durchführbar ist, da hierzu kein Zugriff auf den Raum innerhalb des Statorkerns erforderlich ist und die bestehenden Lüftungsschlitze zur Einführung der Antenne verwendet werden können. Dabei kann es notwendig sein, die Antenne und die zur Antenne führenden Kabel so zu versteifen, dass die Antenne in den Lüftungsschlitz eingeführt werden kann. Für eine neu zu fertigende elektrische Maschine können die Antenne und die zur Antenne führenden Kabel als steifer Körper mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet werden. Ein solcher Körper kann andere strukturelle Bestandteile des Stators ersetzten, wie z.B. die bereits oben genannten Stützstege. In diesem Fall wird die Kühlung der elektrischen Maschine überhaupt nicht nachteilig durch die Sensoren beeinflusst. Sie können genauso gut an jeder beliebigen anderen Stelle des Statorkerns in diesen integriert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des radialen

Luftspaltes einer großen elektrischen Maschine;

Figur 2 Vergrößerter Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1 ;

Figur 3 Erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung. Figur 4 Erfindungsgemäßes Verfahren.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer großen elektrischen Maschine in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des Luftspaltes. Dabei ist das Blechpaket des Stators mit 4 bezeichnet. Der dargestellt Schnitt verläuft in einer Ebene, in der sich im Blechpaket Lüftungsschlitze befinden. Die Lüftungsschlitze werden gewöhnlich dadurch gebildet, dass sich im Blechpaket eine Vielzahl von Stützstegen befindet. Die Stützstege verlaufen dabei radial, und die Lüftungsschlitze verlaufen ebenfalls radial, wobei ein Lüftungsschlitz jeweils von zwei Stützstegen in Umfangsrichtung begrenzt wird. In Figur 1 ist einer der Stützstege beispielhaft mit 5 bezeichnet. Außerhalb des Blechpakets des Stators 4 am äußeren Rand desselben ist eine Sende- und Empfangseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet, welche mit 1 bezeichnet ist. Am Inneren Rand des Blechpakets des Stators 4 in einem Lüftungsschlitz ist eine Antenne angeordnet, welche mit 2 bezeichnet ist. Das Ende der Antenne, das die Strahlung aussendet und aufnimmt, schließt bündig mit dem Inneren Rand des Blechpakets des Stators 4 ab, welcher die eine Seite des Luftspaltes der elektrischen Maschine bildet. Die andere Seite des Luftspaltes wird durch den äußeren Rand des Rotors gebildet. An diesem befinden sich die Rotorpole, von denen einer in Figur 1 mit 6 bezeichnet ist. Die Antenne 2 ist mit der Sende - und Empfangseinheit 1 mittels einem Kabel verbunden, welches mit 3 bezeichnet ist.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Aussschnitt aus dem Blechpaket gemäß Figur 1. Die Bezeichnungen entsprechen den Bezeichnungen von Figur 1. Zusätzlich ist in Figur 2 eine Nut im Blechpaket 4 zur Aufnahme der Statorwicklung mit 7 bezeichnet. Die Statorwicklung selbst ist nicht dargestellt. Es ist erkennbar, dass sich die Antenne 2 im Bereich eines Zahns des Blechpakets befindet, da nur die Zähne des Blechpakets an den Luftspalt angrenzen. Im Bereich einer Nut dagegen würde die eingelegte Wicklung an den Luftspalt angrenzen. Die Antenne 2 ist als Vivaldi-Antenne ausgeführt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine extreme Breitbandigkeit aus. Außerdem ist sie aufgrund ihres Aufbaus sehr gut für die vorliegende Anwendung in Bezug auf die die Einbausituation im Blechpaket der elektrischen Maschine geeignet.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung. Die Bezeichnungen entsprechen wiederum den Bezeichnungen von Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 und 2 bilden in Figur 3 die Antenne 2 und das Kabel 3, d.h. die Teile, die im Blechpaket des Stators angeordnet sind eine Einheit, welche mit 2, 3 bezeichnet ist. Diese Einheit besitzt genug Steifigkeit, dass sie in einen Lüftungsschlitz im Blechpaket einer bestehenden elektrischen Maschine nachträglich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Nachrüsten eingeführt werden kann. Zur Versteifung der Einheit kommt beispielsweise die Einbettung in Kunstharz in Frage. In Figur 3 ist die zu messende Weite des Luftspaltes mit d bezeichnet. Der Doppelpfeil unterhalb der Einheit 2, 3 soll andeuten, dass sich dieser Bereich im Statorbleckpaket befindet. Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 umfasst einen Oszillator zum Erzeugen von Mikrowellen, welcher mit 8 bezeichnet ist, einen Mischer, welcher mit 9 bezeichnet ist, und einen Tiefpass, welcher mit 10 bezeichnet ist. Die Pfeile innerhalb der Sende- und Empfangseinheit 1 deuten schematisch den Verlauf der Mikrowellensignale an. Die im Oszillator 8 erzeugen Mikrowellen werden in die Einheit 2, 3 eingespeist, d.h. mittels des Kabels 3 in die Antenne 2 geleitet. Die Antenne 2 gibt die Mikrowellen in den Luftspalt ab, welche am äußeren Rand der Rotorpole 6 reflektiert werden. Die reflektierten Mikrowellen werden von der Antenne 2 empfangen und mittels des Kabels 3 zurück zur Sende- und Empfangseinheit 1 geleitet. Dort mischt der Mischer 9 die vom Oszillator erzeugten mit den reflektierten Mikrowellen. Das vom Mischer erzeugte Signal passiert anschließend den Tiefpass 10. Das resultierende Signal enthält die Information über die Luftspaltweite und kann von einer Steuerbzw. Monitoring-Einheit ausgewertet werden (nicht dargestellt).

Figur 4 zweigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachrüsten einer bestehenden elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dem mit VI bezeichneten Verfahrensschritt wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt, bei welcher die Einheit 2,3 aus Kabel 3 und Antenne 2 genügend Steifigkeit aufweist. Im dem mit V2 bezeichneten Verfahrensschritt, wird die Einheit 2, 3 aus Kabel 3 und Antenne 2 in einen Lüftungsschlitz des Stators eingeführt, bis die Mündung der Antenne 2 mit dem inneren Rand des Blechpakets 4 abschließt. Hierbei kann es nützlich sein, wenn die Einheit 2, 3 genau die Länge hat, die der radialen Ausdehnung des Blechpakets 4 entspricht, damit die Einheit 2, 3 nicht zu weit in den Lüftungsschlitz eingefügt werden kann. Zur Erreichung dieses Ziel kann aber auch eine Markierung an dem der Antenne 2 gegenüberliegenden Ende der Einheit 2, 3 angebracht sein. Die Einheit 2, 3 wird dann genau so weit in den Lüftungsschlitz eingeführt, bis die Markierung am äußeren Rand des Blechpakets 4 anliegt. Die Sende- und Empfangseinheit 1 bleibt dabei außerhalb des Blechpakets 4 und wird ggf. an diesem befestigt.

Es ist klar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, die zum Nachrüsten einer bestehenden elektrischen Maschine geeignet ist, ebenso leicht von einem Lüftungsschlitz in einen anderen Lüftungsschlitz der elektrischen Maschine überführt werden kann, falls sich dies als nützlich erweisen sollte. D.h. mit einer solchen Vorrichtung kann so der Luftspalt sukzessive an verschiedenen Stellen der elektrischen Maschine vermessen werden.