<Desc/Clms Page number 1>
Gekapselte Wechsel- oder Drehstrommaschine.
Die vollständig gekapselten elektrischen Maschinen konnten bisher nur bis zu einer Leistung von etwa 400 kW ausgeführt werden. Dies ist in der Hauptsache darin begründet, dass bei solchen Maschinen die für den Wärmeaustausch in Betracht kommende Kapseloberfläche, sei sie nun glatt oder gerippt, bei Vergrösserung der Maschine nur mit der zweiten Potenz der linearen Abmessung anwächst, während die Verluste, die bei gleicher Ausnutzung etwa dem Volumen des aktiven Materials proportional sind, etwa mit der dritten Potenz der linearen Abmessung anwachsen. Je grösser die Maschine wird, desto ungünstiger wird also das Verhältnis von Verlusten zur Wärmeaustauschfläche und man kommt verhältnismässig rasch an jene Grenze, an der die durch die Verluste bedingte Innenwärme nicht mehr abgeführt werden kann.
Auch schon unterhalb dieser Grenze fallen die Maschinen schwer und teuer aus, da sich das aktive Material nicht mehr voll ausnutzen lässt.
Die Erfindung hat u. a. die Aufgabe, den Ausführungsbereich für gekapselte Maschinen nach den grösseren Leistungen hin zu erweitern bzw. innerhalb der bisherigen Leistungsgrenzen, insbesondere von 400 kW bis herab zu etwa 50 kW, die Maschinen besser ausnutzbar und dadurch leichter und billiger zu machen.
Während man bisher die gekapselten Maschinen im wesentlichen nach dem Vorbild der üblichen offenen Type, bei der der Anschaffungspreis den Ausschlag gab, baute, werden erfindungsgemäss die aktiven Teile der gekapselten Maschine, d. h. Eisen und Kupfer für Ständer und Läufer, wie für eine offene Maschine von kleinsten jährlichen Gesamtkosten bemessen, wobei unter den Gesamtkosten die Summe der Tilgungs-und Verlustkosten bei Mittelwerten der jährlichen Benutzungsdauer zu verstehen ist.
Wird eine gekapselte Maschine nach dieser Bemessungsregel gebaut, dann erhält man nicht nur, wie nach der Berechnung zu erwarten ist, eine Maschine kleinster Gesamtkosten, sondern zugleich auch eine Maschine, die leichter ausfällt und auch in der Anschaffung billiger ist als eine nach den bisherigen Bemessungsregeln ausgeführte gekapselte Maschine gleicher Leistung, wie dies im folgenden näher erläutert werden soll.
. Bisher wurden die gekapselten Maschinen mit Aussenbelüftung grundsätzlich in zwei Hauptbauarten ausgeführt ; bei der ersten Bauart wird die Verlustwärme fast ausschliesslich durch Wärmeleitung an die Gehäuseoberfläche abgeführt. Zu diesem Zweck sitzt das Ständerblechpaket satt in der Gehäusebohrung. Diese Bauart hat insbesondere bei grossen Maschinen ausser den eingangs erwähnten allgemeinen Schwierigkeiten noch den Nachteil, dass das Gehäuse, das mit sehr grosser Oberfläche in Gestalt einer grossen Anzahl hoher Rippen ausgeführt ist, aus Gusseisen hergestellt werden muss, da geschweisste Rippen wegen des wesentlich kleineren Wärmedurchgangsquerschnittes gegenüber gusseiserner Rippen nur weniger Wärme abführen können.
Die zweite Hauptbauart sind die gekapselten Motoren, bei denen die Wärme nicht durch direkte Wärmeleitung über das Eisen, sondern indirekt über Luft als Zwischenträger der Wärme abgeführt wird. In diesem Falle sind also zwei getrennte Luftstromkreise vorhanden, u. zw. ein vollständig von aussen abgeschlossener Innenluftstromkreis und der Aussenluftstromkreis. Die Wärme des Innenluft-
<Desc/Clms Page number 2>
stromkreises wird durch Konvektion an die Innenoberfläche des Kühlers abgegeben, dessen Aussen- oberfläche durch den Aussenluftstrom gekühlt wird. Diese zweite Bauart konnte sich meist gegenüber der ersteren nicht durchsetzen. Der Grund dafür war folgender :
Der aktive Teil wurde nach denselben Gesichtspunkten berechnet wie die offenen Motoren für kleinste Anschaffungskosten.
Diese Motoren haben grosse Verluste, schlechte Wirkungsgrade und enthalten wenig Kupfer. Die Durchlüftung der Maschinen wurde vorwiegend nach denselben Gesichtspunkten vorgenommen wie bei offenen Maschinen, d. h. es wurde die übliche Durchzugslüftung mit radialen Kühlschlitzen verwendet. Diese Belüftungsform verlangt kurze Bleehpakete, weil sonst der Läuferdurchmesser zu gross ausfallen würde. Der Zutrittsquerschnitt der Luft zwischen Welle und
EMI2.1
werden, je länger die Maschine ist, d. h. je mehr Kühlschlitze zu speisen sind. Aus dem gleichen Grunde müsste dann auch der Läuferdurchmesser grösser werden.
Maschinen mit kurzen Blechpaketen werden aber unwhtscha'tlich und um so ungünstiger, je grösser das Verhältnis des nichtaktiven Gewichts zum aktiven Gewicht ist. Da bei gekapselten Maschinen dieses Verhältnis wesentlich grösser ist als bei offenen Maschinen, sind solche mit kurzen Blechpaketen besonders teuer.
Erfindungsgemäss werden nun etwa die aus dem beiliegenden Diagramm ersichtlichen Ausnutzungsfaktoren für die Bemessung der aktiven Maschinenteile zugrunde gelegt, und bei dieser Bemessung wird auf optimalen Wirkungsgrad ausgegangen. Der Ausnutzungsfaktor ergibt sich in bekannter Weise aus dem Quotienten der Scheinleistung und dem Produkt der effektiven Läuferlänge, dem Quadrat des Läuferdurchmessers und der Drehzahl. In dem beiliegenden Diagramm sind in Ab-
EMI2.2
verschiedene Polzahlen aufgetragen. Die Kurve A entspricht der untersten Grenze des Ausnutzungfaktors für die vierpolige Type bei Hochspannungsmaschinen. Am besten werden Ausnutzungsfaktoren verwendet, die etwa 20-40% über dieser Grenze liegen.
Die Kurve B stellt die untere Grenze für die seehspolige, die Kurve C die untere Grenze für die achtpolige Type dar. Bei Niederspannungsmaschinen verschieben sich die unteren Grenzen. 4, B, C um etwa 20-25% nach oben. Um diese hohe Ausnutzung bei optimalem Wirkungsgrad für ununter- brochenen Betrieb zu erzielen, legt man für die Berechnung erfindungsgemäss folgende Verhältnisse zugrunde.
Es verhält sich der Ständeraussendurchmesser zum Läuferanssendurehmesser in Abhängigkeit von der Polzahl wie 1-5-1'8 : 1, insbesondere wie 1-65-1-75 : 1 bei vier Polen, wie 1-4-1'7 : 1, insbesondere wie 1'52-1'6 : 1 bei sechs Polen und wie 1'3-1'5 : 1, insbesondere wie 1'4-1'45 : 1 bei acht Polen.
Ferner verhält sich das Produkt der Ständernutenzahl und der Nutenbreite bzw. bei keilförmigen Nuten der kleinsten Nutenbreite zum Aussendurchmesser des Läufers wie 2'0-2'3 : 1 und die Tiefe der Ständernut, soweit sie durch Wieklungsmaterial ausgefüllt ist, zum Läuferaussendurchmesser wie 0-17-0'22 : 1 bei vierpoligen Maschinen, 0'15-'} 2 : 1 bei sechspoligen Maschinen, 0'12-0'16 : 1 bei achtpoligen Maschinen bei einem Verhältnis der effektiven Läuferlänge zum Läuferaussendurchmesser von 1'3-2'7 : 1, insbesondere von 1'6-2'3 : 1.
Vorzugsweise macht man das Verhältnis des Läuferaussendurchmessers zum Aussendurchmesser der auf Durchbiegung berechneten Welle bei vier Polen gleich 1-8-2-3 : 1, bei sechs Polen gleich 2'0-2-5 : 1 und bei acht Polen gleich 2'2-2'8 : 1. Bei vier-und sechspoligen Maschinen ist dabei die Länge des Blechpaketes nur bedingt durch die Ausführbarkeit der Welle unter Verzicht auf Lüftungskanäle zwischen Läufer und Welle.
Bei Sehleifringläufern macht man erfindungsgemäss das Verhältnis des Produktes aus dessen Nutbreite und dessen Nutenzahl zum Läuferaussendurchmesser gleich 1-45-1-55 : 1 bei vier Polen,
EMI2.3
nuttiefe zum Läuferaussendurchmesser gleich 0'125-0'132 : 1.
Bei Einhaltung dieser Verhältnisse ergeben sich von selbst bei dem für offene Motoren üblichen Ausnutzungsfaktor optimale Wirkungsgrade der einzelnen Typen.
Bei der Berechnung einer Maschine kann man beispielsweise so vorgehen, dass man in der Gleichung des Ausnutzungsfaktors die effektive Läuferlänge durch den Läuferaussendurchmesser unter Zugrundelegung der oben angegebenen Verhältniszahl für den Quotienten von effektiver Läuferlänge und Läuferdurchmesser ersetzt. Dadurch erhält man unter Zugrundelegung des üblichen Ausnutzungsfaktors offener Motoren den Läuferaussendurchmesser. Aus dem Läuferaussendurehmesser und dem angegebenen Verhältnis von Ständeraussendurchmesser zu Läuferaussendurchmesser errechnet sich der Ständeraussendurchmesser. Die Nutentiefe des Ständers ergibt sich aus dem ermittelten Läuferdurchmesser und den angegebenen Verhältnissen für die Ständernuttiefe und dem Läuferdureh- messer.
Die Nutenzahl des Ständers wird nach den üblichen Erfahrungen mit Rücksicht auf die gewünschte Überlastbarkeit des Motors und die Spannung ermittelt. Die Nutenbreite des Ständers ergibt sich aus der Nutenzahl, dem Läuferaussendurchmesser und dem angegebenen Verhältnis aus dem Produkt der Nutenzahl mal Nutenbreite zum Läuferdurchmesser. Bei Durchführung dieser Berechnung ergeben sich vorzugsweise die oben angegebenen Verhältnisse für den Läufer- aussendurchmesser und dem Wellenaussendurchmesser.
Bei Schleifringläufern lässt sich aus den angegebenen Verhältnissen ohne weiteres die Nuten-
EMI2.4
<Desc/Clms Page number 3>
mitteln. Für Käfigläufer ergeben sich die Nutenzahlen und Nutenverhältnisse erfahrungsgemäss aus den gewünschten Anlaufverhältnissen u. dgl.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, noch näher erläutert werden. 1, Fig. 2, ist die Maschinenwelle mit dem Läufer 2, der mit axialen, vorzugsweise im Oberteil der Nuten verlaufenden Kühlkanälen 3 versehen ist. 4 ist der Ständer, der mit verhältnismässig viel Wieklungskupfer 5 versehen ist, wie überhaupt sieh erfindungsgemäss für Läufer und Ständer ein abnormal grosses Verhältnis von Wicklungskupfer zu Eisen ergibt. Abgesehen davon fällt beim Ständer und Läufer die grosse Länge bei verhältnismässig kleinem Durchmesser auf. Beim Läufer geht dies so weit, dass er sich ganz eng der Welle 1 anschmiegt. Radiale Kühlkanäle fehlen. Auch braucht kein Kühlkanal zwischen der Welle und dem Läuferblechpaket vorhanden zu sein.
Das Ständerblechpaket 4 sitzt auf Rippen 6 des Gehäuses 7, das am Rücken mit hohlen Kühlrippen 8 versehen ist. Die Rippen sind verhältnismässig hoch und schmal, so dass sich eine grosse Wärmeaustauschoberfläche ergibt. 9 ist ein Aussenlüfter, der in bekannter Weise einen Kühlluftstrom über die Rippenoberfläche bläst, 10 ist ein Innenlüfter, der die Kühlluft durch die Öffnungen 11 des Gehäuses 7, die Hohlräume der Rippen 8, durch die Öffnung 12 des Gehäuses, die axialen Kühlkanäle 3 und 13 im Kreislauf treibt. Der Kühlkanal 13 zwischen dem Rücken des Ständerblechpaketes 4 und dem Gehäuse 7 ist düsenartig durch Leitbleche 14 verjüngt. In dem Raum zwischen dem Blech 14 und dem Gehäuse 7 sind Versteifungsringe 15 untergebracht.
Die besondere Bemessung der aktiven Teile, die an sieh zu einer hohen Ausnutzung bei optimalem
EMI3.1
keit des Innenkühlluftstromes wird praktisch nur einmal, nämlich an dem Ständerrücken und in dem oberen Teil der Läufernuten, bei 3 und 13, also bei den Punkten grösster Übertemperatur, auf die Höchstgeschwindigkeit gebracht. In allen übrigen Teilen des Gehäuses ist die Kühlluftgeschwindigkeit so gering, dass Wirbelungen, in den Luftweg vorspringende Ecken oder an ihn grenzende Buchten praktisch keine nennenswerte Erhöhung des gesamten Luftreibungswiderstandes ergeben. In der Nähe der Höchstgeschwindigkeit der Kühlluft empfiehlt es sich jedoch, einspringende Ecken oder Buchten zu vermeiden, indem man die Kühlkanäle düsenartig sich verjüngen lässt.
Am besten gibt man auch den Kühlkanälen 3 im Läufer 2 Düsenform.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht auch noch darin, dass man die leichtere und besonders bei grösseren Leistungen auch billigere 8chweisskonstruktion für das Gehäuse verwenden kann.
Das Verhältnis von inaktivem zu aktivem Maschinenmaterial lässt sich deshalb auch bei grossen Leistungen wesentlich herabsetzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gekapselte Wechsel-oder Drehstrommasehine, insbesondere mit einem Innenkühlluftstrom, der durch ein von einem Aussenlüfter auf der Maschinenwelle angeblasenes Wärmeaustauschsystem des Ständerrückens rückgekühlt wird, vorzugsweise für Leistungen innerhalb 50-2000 kW, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ständeraussendurchmesser zum Läuferaussendurchmesser in Abhängigkeit
EMI3.2
besondere wie 1-52-1'6 : 1 bei sechs Polen, und wie 1'3-1'5 : 1, insbesondere wie 1'4--1'45 : 1 bei acht Polen, verhält, dass sich ferner das Produkt aus Nutenzahl mal Nutbreite im Ständer zum Läuferdurchmesser wie 2'0-2'3 :
1, während sich die Nutentiefe des Ständers zum Läuferaussendurchmesser bei vierpoligen Maschinen wie 0'17-0-22 : 1, bei seehspoligen Maschinen wie 0'15-0'2 : 1, bei achtpoligen Maschinen wie 0'12-0-16 : 1 verhält, bei einem Verhältnis von effektiver Läuferlänge zum
EMI3.3