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Aus einzelnen Blechsegmenten geschichteter Läufer elektrischer
Grossmaschinen
Das Blechpaket von Läufern elektrischer Grossmaschinen wird, besonders bei solchen mit relativ gro- ssem Läuferdurchmesser, üblicherweise aus Blechsegmenten geschichtet. Hiebei stossen die in Umfangs- richtung weisenden Kanten (Stossstellen) der Blechsegmente stumpf aneinander, so dass sich aus einer An- zahl derartig gestossener Blechsegmente das ringförmige Blech ergibt. Dieses bildet für den Magnetfluss den Jochteil, während die Pole in beispielsweise schwalbenschwanzförmigen Nuten der Bleche angeordnet und mit diesen fest verbunden sind. Jedoch kann das ringförmige Blech auch mit Nuten zur Aufnahme der elektrischen Leiter, z. B. einem Volltrommelläufer, ausgebildet sein ; hiebei entfallen dann die besonders ausgebildeten Pole.
Um das so aus Einzelblechen (bzw. deren Blechsegmenten) gebildete Paket zusammenzuhalten, sind Bolzen vorgesehen. die durch entsprechende Löcher der Blechsegmente geführt werden. Die Stossstellen . der Blechsegmente liegen dabei zumeist in Achsrichtung nicht hintereinander, sondern werden von Blechlage zu Blechlage versetzt angeordnet; mehrere Blechlagen ergeben dabei eine Schicht und mehrere Schichten die Pakethöhe. Hiebei sind im allgemeinen die Schichten untereinander mit gleicher Lagenfolge ausgebildet, wobei unter Lagenfolge der Abstand eines Stosses in einer Lage zum Stoss in der folgenden Lage usf. gemeint ist.
In bekannten Ausführungen sind dabei innerhalb eines Blechsegmentes mehrere Löcher vorgesehen, die in Umfangsrichtung hintereinander und zumeist mit gleichem Abstand zueinander in das jeweilige Blechsegment eingestanzt werden. Es ergibt sich daraus, dass die durch diese Löcher gesteckten Bolzen von den jeweiligen Stossstellen innerhalb eines Blechsegmentes verschieden weit entfernt sind. Es ergibt sich fernerhin, dass der durch die gesamte Pakethöhe hindurchtretende Bolzen in jeder Blechlage eine andere Entfernung von der genannten Stossstelle hat als in der folgenden Lage.
Aufgabe der Erfindung ist es, hier gegenüber den bekannten Anordnungen eine optimale Lösung anzugeben, um so mit möglichst geringem Aufwand an Material, Arbeitskraft und-zeit eine maximale Haltekraft für das gesamte Blechpaket zu erreichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein aus einzelnen Blechsegmenten geschichteter Läufer elektrischer Grossmaschinen, bei welchem mehrere Blechlagen der Blechsegmente eine Schicht, mehrere Schichten die Pakethöhe des Läufers ergeben, wobei die Blechsegmente mittels Bolzen, welche durch in jenen Lagen angeordnete Löcher gesteckt sind, untereinander fest verbunden sind, wobei fernerhin die Blechsegmente mit ihren Stossstellen von Blechlage zu Blechlage zueinander um einen Lochabstand oder ein ganzzahli- ges Vielfache : : davon versetzt sind und so eine Lagenfolge bilden (nämlich die fortlaufend gezählte Nummer der Blechlage, bei der die nächste, also um nur einen Lochabstand versetzte Stossstelle angeordnet ist) und die Anzahl der Löcher pro Blechsegment gleich der Anzahl der Lagen pro Schicht ist.
Erfindungsgemäss gehorcht die genannte Lagenfolge innerhalb einer Schicht dem nachfolgenden Gesetz : entweder,
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Lagenfolge ausgebildet ist wie die vorhergehende.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In ihr zeigt die Fig. 1 eine bekannte Ausführung eines Ausschnittes von aus Blechsegmenten geschichteten Läufern elektrischer Maschinen ; die Fig. 2 - 6 zeigen die Lastangriffspunkte an vier Bolzen der Fig. 1 ; Fig. 7 - 12 zeigen dasselbe wie die Fig. 1-6, jedoch bei einer Ausführung nach der Erfindung. Fig. 13 erläutert dann noch eine Weiterbildung der Erfindung.
Bei den Betrachtungen zu der Zeichnung wird davon ausgegangen, dass einerseits die aus den Rei- bungskräfteni resultierenden Haltekräfte nicht exakt ermittelbar und auch wesentlich geringer sind als die von den Bolzen ausgehenden. Sie werden daher vernachlässigt ; man darf dieses tun, da man sich dabei auf der sicheren Seite befindet. Anderseits wird davon ausgegangen, dass die Richtung der Hauptbeanspruchung des Blechpaketes bzw. der darin angeordneten Bolzen, besonders wenn es sich um Läufer elektrischer Maschinen mit Durchmessern von mehreren Metern handelt, in Umfangsrichtung weist ; denn bei den dabei auftretenden radialen Blechdicken von nur etwa 30 cm sind die radial nach aussen gerichteten und so auf die Bolzen wirkenden Kräfte ausserordentlich gering.
Wickelt man nun den Läuferumfang bzw. das diesen bildende Blechpaket ab, so ergibt sich als Beispiel einer bekannten Ausführung die Fig. 1 im achsparallelen Schnitt. Hiebei ist nur eine Schicht aus fünf Blechlagen 1 - 5 dargestellt ; die weiteren Schichten befinden sich also unterhalb der Fig. 1 und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Jede Blechlage ist aus einer Anzahl von Blechsegmenten aufgebaut, die an den Stossstellen 6 stumpf aneinanderstossen. Diese Stossstellen 6 sind von Blechlage zu Blechlage um einen Lochabstand 7 zueinander versetzt und. ergeben so die Lagenfolge. Die Bleche bzw.
Blechsegmente werden durch die Bolzen 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 untereinander zusammengehalten und fest mit dem (nicht gezeichneten) Läufer verbunden.
Betrachtet man die Bolzen 9 - 13 und die an diese angreifenden Kräfte, so erhält man die Fig. 2-6.
Am Bolzen 9, der in der Fig. 2 dargestellt ist, greifen das oberste und das unmittelbar darunterliegende Blechsegment in den Pfeilrichtungen 17, 18 an, u. zw. nur von diesen Lagen ausgehend definiert, da hier in unmittelbarer Nachbarschaft des Bolzens 9 Stossstellen 6 angeordnet sind. Die unteren drei Blechlagen würden wohl im Idealfalle ebenfalls eine Kraft auf den Bolzen ausüben können, die theoretisch den
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ungenauigkeiten Verschiebungen in der theoretischen Kraftverteilung auftreten müssen und dass aus Sicherheitsgründen jeweils nur die Kräfte angesetzt werden können, die in Fig. 2 dargestellt sind.
Für das Moment ergibt sich dadurch, wenn man die Kräfte 17, 18 jeweils mit P bezeichnet und den Hebelarm, d. h. der Abstand zwischen den beiden Angriffspunkten der Kräfte 17, 18 mit b, bei Rechtsdrehsinn ein Wert von M=-t-P. b. Dasselbe ergibt sich für die Fig. 3-5, bei welchen die Kräfte 19-24 mit ihren jeweiligen Angriffspunkten an den Bolzen 10 - 12 dargestellt sind. Auch in diesen Fällen ist also jeweils M=+R. b. Fig. 6 zeigt nun den Kraftangriff 25, 26 am Bolzen 13. Hiebei ergibt sich für das Moment M =-P. 4b.
Daraus folgt, dass bei sonst gleicher Bolzendicke und gleichen Beanspruchungsrichtungen innerhalb der jeweiligen Blechsegmente im dargestellten bekannten Fall auf vier Bolzen das gleiche Moment einwirkt, während der fünfte Bolzen ein vierfaches Moment aufzunehmen hat. Das gleiche würde sich bei näherer Betrachtung für die weiteren Bolzen ergeben. Der hieraus zu ziehende Schluss ist, dass bei einer Lagenfolge 1, 2, 3, 4, 5, 1... für vier Bolzen ein relativ niedriges Einspannmoment anzusetzen ist, während sich für den fünften Bolzen eine Vervierfachung des Einspannmomentes ergibt.
Wird die Anzahl der Bleche n von fünf auf beispielsweise acht erhöht, so würde sich bei zu Fig. 1 analoger Anordnung für sieben Bolzen jeweils das gleiche Moment ergeben, während am achten Bolzen ein um 8 - 1 = 7 mal erhöhtes Moment angreift. Ganz allgemein ist also zu sagen, dass bei einer der Fig. 1 äquivalenten Anordnung das auf den letzten Bolzen wirkende Moment jeweils (n-l)-fach grösser ist als das auf die übrigen Bolzen wirkende. Ähnlich ungünstige Verhältnisse ergeben sich bei allen bekannten andern Lagenfolgen. Es müssen also alle Bolzen so dimensioniert sein, dass sie das (n-l)-fache Moment aufzunehmen in der Lage sind, bezogen auf das Minimalmoment.
In Fig. 7 wird nun an fünf Blechlagen eine Lagenfolge nach der Erfindung dargestellt, bei welcher wohl auf jeden einzelnen Bolzen höchstens das doppelte Moment einwirkt wie bei der bekannten Anordnung nach Fig. l : aber auch nicht mehr. Die Vervierfachung des Momentes beim letzten Bolzen (nach Fig.
1) fällt also bei einer Anordnung nach der Erfindung weg. Um das im einzelnen zu veranschaulichen, sind die Fig. 8 - 12 analog zu den Fig. 2 - 5 dargestellt und, ebenfalls wie Fig. 7 zu Fig. l, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie leicht nachzuprüfen ist, gilt für jede andere Anzahl von Blechlagen,
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dass bei geeigneter Wahl der Lagenfolge nie ein höheres Moment als das Doppelte auf den Bolzen einwirkt.
Als allgemeines Gesetz ergibt sich daraus, dass die Lagenfolge n innerhalb einer Schicht nach nach- stehenden Folgen aufzubauen ist : entweder, für Anzahl der Lagen n = gerade Zahl : l, 3, 5.. (n-1), n, (n-2), (n-4).. 2 oder, für n = ungerade Zahl : l, 3, 5.. n, (n-1), (n-3).. 2.
Eine Anordnung der Lagenfolge nach der Erfindung benötigt also lediglich eine gegenüber bekannten
Anordnungen neue Schichtungsart (Schichtungsfolge) der einzelnen Blechsegmente innerhalb einer jeden
Schicht, ohne dass dabei der Blechschnitt geändert werden muss. Die höchstmöglichen auf einen Bolzen auftreffenden Momente sind nunmehr wesentlich vermindert : Bei bekannten Anordnungen sind sie M s P. b. (n-1), also, um beim Beispiel nach der Erfindung zu bleiben, M = P. b. 4 ; tatsächlich ist aber die Anzahl der Blechsegmentlagen pro Schicht im allgemeinen wesentlich höher und dadurch auch der
Wert für (n-l). Bei einer Anordnung nach der Erfindung ist das höchst auftretende Moment M = P. b.
. [n- (n-2) ] = P. b. 2 ; also wesentlich geringer. Die Folge ist, dass man die bisher relativ dicken Bol- zen und dementsprechend grossen Löcher in den Blechsegmenten entsprechend verringern kann, ohne dass dadurch die Festigkeitseigenschaften der gesamten Anordnung gemindert werden. Auch die magnetischen Eigenschaften werden gebessert, da die Löcher in den Blechsegmenten je nach dem Wert ihres Durchmes- sers ein mehr oder weniger grosses Hindernis für den Magnetfluss bilden.
Der gleiche Erfolgt wird erzielt, wenn man-in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung- die Löcher in an sich bekannter Weise durch Lochgruppen ersetzt, wie beispielsweise in Fig. 13 darge- stellt. Diese zeigt eine Draufsicht auf ein Blechsegment, bei welcher die Löcher 27 jeweils zu einer Loch- gruppe 28 zusammengefasst sind. Diese Anordnung wird besonders vorteilhaft bei Wasserkraftgeneratoren mit senkrechter Welle angewandt, wo grosse Kräfte zu beherrschen und daher eine grosse Zahl von Bolzen und Löchern anzuordnen sind.
Die Fertigung und der Zusammenbau derartiger Blechsegmentanordnungen kann dann in an sich be- kannter Weise etwa wie folgt vorgenommen werden : Nach dem Stanzen der einzelnen Segmente werden diese geschichtet und die dann in achsparalleler Richtung fluchtenden Löcher bzw. Lochgruppen beispiels- weise so weit aufgerieben, dass die durch sie hindurchzuführenden Bolzen genügend Platz, wenn auch mit enger Toleranz, haben. Nach dem Einführen der Bolzen wird dann das Blechpaket durch geeignete Massnahmen mit der Läuferwelle verbunden und so alles zusammengehalten.
Es können jedoch auch die Löcher bzw. Lochgruppen von vornherein so gross ausgeführt werden, dass auch nach erfolgtem Zusammenbau und trotz der dabei entstehenden Fertigungsungenauigkeiten noch die Bolzen hindurchgeführt werden können. Auch in diesem Falle kann danach der Läufer einer Schleuderprobe unterworfen werden, bei welcher sich die einzelnen Blechsegmente mit einem Teil ihrer Lochwandungen einseitig und mehr oder weniger eng an die Bolzen anlegen, während auf der andern Seite des Bolzens ein relativ grosser Zwischenraum zwischen diesem und der Lochwandung entsteht. Die bereits vor der Schleuderprobe eingetriebenen Keile werden dann zum Ausgleich der so entstandenen Zwischenräume in bekannter Weise nachgetrieben.
Allen diesen Fertigungsverfahren haften folgende Nachteile an : Das Aufreihen sämtlicher Löcher verlangt einen erheblichen Arbeitsaufwand und demgemäss eine Verteuerung der elektrischen Maschine, wobei noch nicht einmal ein sattes Anliegen sämtlicher Blechsegmente bzw. der Lochwandungen an den Bolzen gewährleistet ist. Ähnliches gilt auch für die Fertigung nach dem Prinzip des Nachkeilens.
Daher wird in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung vorgeschlagen, dass nur die den Stossstellen der Blechsegmente benachbarten Löcher bzw. Lochgruppen mit enger Toleranz zu den in ihnen angeordneten Bolzen ausgebildet sind ; die Bolzen in den übrigen Löchern bzw. Lochgruppen liegen durch vergrösserte Ausbildung der jeweiligen Lochdurchmesser nicht an den Lochwandungen an. Dabei kann man in vorteilhafter Weise die den Stossstellen benachbarten Löcher bzw. Lochgruppen vor dem Schichten enger als die entsprechenden Bolzen ausbilden und nach dem Schichten gemeinsam soweit aufreiben, dass gewünschte enge Toleranz erreicht wird.
In Verfolg der Erfindung greifen an den Bolzen nur definierte Kräfte an. Sie selbst werden, bei zu engem Lochabstand, durch von den Blechen ausgehende Spannungen nicht verwölbt, so dass eine zusätzliche unnötige Beanspruchung vermieden wird. Derartige Anordnungen sind dann besonders vorteilhaft, wenn, wie beispielsweise bei Wasserkraftgeneratoren mit senkrechter Welle, grosse Kräfte beherrscht werden müs- sen und daher eine grosse Zahl von Bolzen den Löchern anzuordnen sind.
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