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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft die Konstruktion von Schnellläufergeneratoren, und insbesondere
eine Rotorkapselung, die dazu dient, Luftreibungsverluste zu reduzieren.
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Insbesondere
gehören
zu einem Schnellläufergenerator
gewöhnlich
ein Rotor, ein Stator, ein Rotorlagersystem und weitere Komponenten.
Der Rotor besteht gewöhnlich
aus einem Schmiedestück,
das mit einem Permanentmagneten oder einer Feldwicklung kombiniert
ist, um das magnetische Feld zu erzeugen. Eine um das Äußere des
Permanentmagneten oder der Feldwicklung angeordnete, gewöhnlich aus
einem metallischen Werkstoff gefertigte Kapselung, die mit einem
kunstfaserverstärkten
Verbundstoff kombiniert ist (oder aus einer Kombination beider Werkstoffe
aufgebaut ist), dient dazu, die Rotorkomponenten entgegen den Zentrifugalkräften zusammenzuhalten.
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Wenn
Luft als ein primäres
Kühlmedium
in Schnellläuferantrieben
und -generatoren verwendet wird, in denen Umfangsgeschwindigkeiten
des Rotors 475 Fuß pro
Sekunde überschreiten,
reichen die Luftreibungsverluste (bei Verwendung eines Rotors mit
glatter Oberfläche)
an elektrische Verluste heran oder sind sogar noch größer. Ein
höherer
Luftreibungsverlust hat höhere
Temperaturen in dem Rotorkörper
und dem Kühlgas innerhalb
des Luftspalts zur Folge. Eine sorgfältige Beachtung des Luftreibungsverlusts
ist von großer
Bedeutung, wenn es gilt, den wirtschaftlichen Erfolg einer luftgekühlten Maschine sicherzustellen.
In der Vergangenheit wurden luftgekühlte Anordnungen häufig deswegen
nicht verwendet, weil der Luftreibungsverlust zu hoch war, um den angestrebten
Wirkungsgraden zu genügen.
In solchen Fällen
traten anstelle der Luftkühlung
gewöhnlich
kostspieligere Wasserkühlungsvorrichtungen.
In Falle von kleinen Maschinen wird der Raum zwischen dem Rotor
und dem Stator evakuiert, um die Luftreibung zu reduzieren. Dies
eignet sich in der Praxis jedoch lediglich für wassergekühlte Maschinen mit Nennleistungen,
die zu gering sind, um in dezentraler Stromerzeugung zum Einsatz
zu kommen.
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Die
axiale Strömung
führt zu
einer erheblichen Steigerung des Luftreibungsverlusts. Untersuchungen
zeigen, dass mit dem Ansteigen der axialen Strömung der axiale Geschwindigkeitsgradient wächst, während die
Geschwindigkeitsverteilung von Turbulenzen in etwa unverändert bleibt.
Hieraus ergibt sich eine Steigerung der Luftreibung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Verringerung von Luftreibungsverlusten und
eine Verbesserung der Wärmeübertragung
für luftgekühlte Hochgeschwindigkeitsantriebe
und Generatoren. Die Erfindung betrifft Konfigurationen von Rotoren,
die entweder mit einem Permanentmagneten oder einer Feldwicklung ausgestattet
sind. Die Kapselung des Rotorkörpers ist
mit einer Vielzahl von ringförmigen
oder axialen Vertiefungen (oder anderen Oberflächenverformungen) versehen.
In einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die äußere zylindrische
Schalenoberfläche
mit einer Vielzahl von Vertiefungen in Form von ringförmigen Turbulatornuten
ausgebildet, die in axialer Richtung über die Länge des Rotors voneinander beabstandet
sind. In einer alternativen Anordnung können die Vertiefungen in Form
von axial sich erstreckenden Nuten ausgebildet sein, die in Umfangsrichtung
um den Rotor beabstandet sind. Andere Formen und/oder Muster von
Formen können
verwendet werden und werden nachstehend eingehender beschrieben,
wobei beachtet wird, dass das Ziel ist, den Flächenanteil der ebenen, zylindrischen
Oberflächen auf
der Außenfläche der
Schale zu verringern.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung in ihren allgemeineren Aspekten
einen Rotorkörperaufbau,
der einen Rotor und eine den Rotor umgebende Kapselung aufweist,
wobei die Kapselung eine äußere Umfangsfläche aufweist,
die mit einer Vielzahl von Oberflächenverformungen ausgebildet
ist, die dazu dienen, Luftreibungsverluste zu reduzieren.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Generator,
der einen Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator und ein Lagersystem
aufweist, das dazu dient, den Rotor drehbar innerhalb des Stators
zu lagern; wobei der Rotor mit einer Feldwicklung und einer äußeren Kapselung versehen
ist, wobei die Kapselung eine äußere Umfangsfläche aufweist,
die mit einer Vielzahl von Oberflächenverformungen ausgebildet
ist.
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Die
Erfindung wird nun in Verbindung mit den im folgenden zugeordneten
Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt in einer schematischen
Draufsicht eine Seitenansicht eines Schnellläufergenerators;
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2 zeigt eine geschnittene
Teilansicht des Rotors nach 1,
die eine typische Kapselung veranschaulicht, die den Rotor umgibt;
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3 stellt in einer schematischen
Draufsicht von der Seite eine Generatorrotorkapselung dar, bei der
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer ihrer äußeren Flächen eine
Vielzahl von ringförmigen
konkaven Nuten ausgebildet ist;
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4 zeigt eine schematische
Stirnansicht einer Generatorrotorkapselung, die gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung axial sich erstreckende konkave Nuten aufweist;
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5 zeigt in einer geschnittenen
Teilansicht durch eine Generatorrotorkapselung eine Vielzahl von
axial beabstandeten ringförmigen
konischen Nuten gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 zeigt eine geschnittene
Teilansicht einer Generatorrotorkapselung, die einen sinuswellenförmigen Querschnitt
einer Rotorwand gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht; und
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7 zeigt in einer geschnittenen
vergrößerten Teilansicht
die Zirkulation der Axialströmung zwischen
einem Stator und einem Rotor, der konische Ringnuten der Art aufweist,
wie sie in 5 gezeigt
sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Indem
zunächst
auf 1 eingegangen wird,
weist ein Schnellläufergenerator 10 gewöhnlich einen
Rotor 12, einen Stator 14 und ein Rotorlagersystem 16 auf.
Der Rotor 12 umfasst ein Schmiedestück 18 und einen Permanentmagneten
(oder eine Feldwicklung) 20, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
Radial außerhalb
des Permanentmagneten oder der Feldwicklung ist eine Kapselung 22 angeordnet,
die den Rotor umgibt. Typischerweise strömt Kühlluft in den radialen Spalt 24 zwischen
dem (die Kapselung aufweisenden) Rotor 12 und dem Stator 14.
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Die
Rotorkapselung 22 eines Generators kann aus einem geeigneten
metallischen Werkstoff (z.B. Aluminium oder Inconel), einem kunstfaserverstärkten Verbundstoff
oder einer Kombination aus beiden Werkstoffen gefertigt sein. Indem
nun auf 2 eingegangen
wird, kann die Kapselung 22 durch eine aus Aluminium (oder
einem anderen geeigneten Metall) gefertigten radial innenliegende Komponente 26 gebildet
sein, die der Lastverteilung und der elektromagnetischen Abschirmung
dient und von einer kunstfaserverstärkten Matrixummantelung 28 umgeben
ist. In jedem Fall muss die Schale eine ausreichende Festigkeit
aufweisen, um die Rotorkomponenten gegen die durch die Rotation
des Rotors im Betrieb entstehenden Zentrifugalkräfte zusammenzuhalten.
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In
der vorliegenden Erfindung, und wie auch gemäß 3 veranschaulicht, kann die Außenfläche 28 der
Kapselung 22 mit mehreren Oberflächenvertiefungen, beispielsweise
ringförmigen
Verwirbelungsnuten oder sonstigen geeigneten Oberflächenver formungen
ausgestattet sein, wie sie nachstehend beschrieben sind. In einem
Ausführungsbeispiel
(3) sind diese Vertiefungen
in Form von Ringnuten 30 ausgebildet, die über die
Länge des Rotors
axial beabstandet angeordnet sind. Die Nuten 30 verbessern
die lokale Luftverwirbelung, fördern den
Wärmetransport
in axialer Richtung, reduzieren den Luftreibungsverlust und vermindern
das Eindringen von durch Luftreibung entstehender Wärme in den
Rotorkörper.
Diese Anordnung, oder eine ähnliche
Anordnung, wie sie in Verbindung mit 7 weiter
unten erörtert
ist, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Richtung der Strömung vorwiegend
axial über
den Rotor, d. h. parallel zu der Drehachse des Rotors, verläuft. Die
optimale Tiefe der Nut ergibt sich aus einem Kompromiss zwischen
einer Erhöhung des
Widerstand gegen eine tangentiale Bewegung und einer Verminderung
des Widerstands gegen eine axiale Strömung.
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4 veranschaulicht eine alternative
Anordnung, bei der die Schale 32 eine Außenfläche 34 aufweist,
die mit einer Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden konkaven
Nuten 36 ausgebildet ist, die um den Umfang der Schale
herum beabstandet angeordnet sind. Diese Anordnung erzielt gute Resultate
einer Verringerung der Luftreibung, wenn die Strömung um den Rotor wirbelt.
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5 veranschaulicht noch eine
weitere Anordnung, die im Wesentlichen jener in 3 ähnelt, jedoch
weisen hier die Ringnuten 38 in der Außenfläche 40 der Schale 42 jeweils
ebene konische Seitenflächen 44, 46 und
eine ebene Basis 48 auf.
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6 veranschaulicht noch eine
weitere Konfiguration, bei der die Schale 50 mit einem
gewellten oder sinuswellenförmigen
Querschnitt ausgebildet ist, um dadurch im Wesentlichen ringförmige, nahe
beieinander angeordnete, konkave Oberflächenverformungen oder Rillen 52 zu
bilden. Diese Anordnung ist, ebenso wie jene in den 3 und 5, am
wirkungsvollsten, wenn die Strömungsrichtung überwiegend
axial verläuft.
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7 zeigt ein vergrößertes Detail
der in 5 dargestellten
Schale 42, die benachbart zu einem feststehenden Stator 54 angeordnet
ist und mit diesem einen radialen Spalt 56 bildet. Die
konischen Nuten 38 befinden sich radial sehr nahe an dem
Stator 54, und die Strömung
zwischen dem Rotor und dem Stator verläuft in diesem Beispiel überwiegend in
axialer Richtung. Der Erfinder entdeckte, dass durch Vorsehen solcher
Verformungen (Nuten) 38 auf der Außenfläche der Schale 42 der
Luftreibungsverlust verringert wird, da die innerhalb der Nuten 38 gefangenen
Lufttaschen 58 dazu führen,
das der Widerstand, d. h. die Reibung, die gegen die durch den Spalt 56 strömende Luft
gerichtet ist, geringer ist, als für den Fall, dass der Spalt
nur durch auf dem Stator 54 bzw. auf der Kapselung 42 gegenüberliegend
angeordnete ebene zylindrische Flächen 60, 40 definiert
ist. Mit anderen Worten, die Luftreibung oder der Reibungsverlust
ist proportional zu dem Flächenanteil
ebener äußere zylindrische
Oberflächen
der Kapselung. Dies bedeutet, dass sich der Luftreibungsverlust
in dem Maße
reduziert, in dem die ebene zylindrische Oberfläche reduziert ist. Selbstverständlich dürfen die
Oberflächenverformungen
nicht so ausgeprägt
sein, dass sie sich nachteilig auf die Festigkeit der Schale auswirken.
Es ist jedoch klar, dass es technisch möglich ist, die Gestalt der
Verformung und Muster von Formen auf der Außenfläche der Schale zu optimieren,
um zu optimalen Ergebnisse zu gelangen. Ferner können in dieser Hinsicht andere
Oberflächenverformungen,
beispielsweise konkave Vertiefungen oder dgl. dafür eingesetzt
werden, um den Luftreibungsverlust effizient zu reduzieren.
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Zu
einem Rotorkörperaufbau 10 gehören ein Rotor 12 und
eine den Rotor umgebende Kapselung 22, wobei die Kapselung
eine äußere Umfangsfläche 28 aufweist,
die mit einer Vielzahl von Oberflächenverformungen 30 ausgebildet
ist.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es
ist allerdings selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll, sondern vielmehr vielfältige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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- 10
- Schnellläufergenerator
- 12
- Rotor
- 14
- Stator
- 16
- Rotorlagersystem
- 18
- Schmiedestück
- 20
- Magnet
(oder Feldwicklung)
- 22
- Kapselung
- 24
- Radialer
Spalt
- 26
- Radial
innenliegende Aluminiumkomponente
- 28
- Kunstfaserverstärkte Matrixummantelung
- 30
- Ringförmige Nuten
- 32
- Schale
- 34
- Außenfläche
- 38
- Ringförmige Nuten
- 40
- Außenfläche
- 42
- Schale
- 44,
46
- Ebene
konische Seitenflächen
- 48
- Ebene
Basis
- 50
- Schale
- 52
- Konkave
Oberflächenverformungen
oder Nuten
- 54
- Feststehender
Stator
- 56
- Radialer
Spalt
- 58
- Lufttaschen
- 60
- Ebene
zylindrische gegenüberliegende Fläche