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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
einen Generator oder für
einen Elektromotor. Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere
auf größere Maschinen,
wie sie beispielsweise bei Kraftwerksanlagen zur Anwendung gelangen.
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Stand der
Technik
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Generatoren
und Elektromotoren besitzen einen Rotor, an dem eine Rotorwicklung
angebracht ist. Bei großen
Generatoren und Elektromotoren, wie sie in Kraftwerksanlagen mit
Leistungen von mehreren Megawatt zum Einsatz kommen, besteht eine derartige
Rotorwicklung aus mehreren massiven Wickelstäben, die in Längsnuten
des jeweiligen Rotors verlegt sind. Zumindest an einer axialen Stirnseite des
Rotors ist dann ein Wickelkopf ausgebildet, bei dem die axial aus
den Längsnuten
herausgeführten Wickelstäbe jeweils
mit wenigstens einem anderen Wickelstab elektrisch verbunden sind.
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In
Abhängigkeit
des Durchmessers des jeweiligen Rotors sowie in Abhängigkeit
der jeweiligen Drehzahl des Rotors treten im Betrieb im Bereich
des Wickelkopfs relativ große
Zentrifugalkräfte
an den Wickelstäben
auf. Um Beschädigungen
des Wickelkopfs bzw. der Rotorwicklung und somit der gesamten Rotationsmaschine
zu vermeiden, ist es erforderlich, die Wickelköpfe möglichst stabil auszugestalten.
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Darstellung
der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Rotor der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Stabilität im Bereich
des Wickelkopfs auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, alle Wickelstäbe im Bereich
des Wickelkopfs in Richtung auf eine Rotationsachse des Rotors hin
abzuwinkeln, wobei die innerhalb des Wickelkopfs miteinander verbundenen
Wickelstäbe
im Bereich radial innen liegender Enden miteinander verbunden sind.
Durch diese Bauweise wird die Masse des Wickelkopfs in Richtung
der Rotationsachse verlagert, wodurch die im Betrieb auftretenden
Zentrifugalkräfte
reduziert werden. Allein hierdurch ergibt sich bereits eine signifikante
Stabilisierung des Wickelkopfs. Darüber hinaus wird beispielsweise
eine Fixierung des Wickelkopfs am Rotor vereinfacht, da die Enden
der Wickelstäbe, über die
je zwei Wickelstäbe
miteinander verbunden sind, zum einen relativ nahe an der Rotationsachse
und zum anderen relativ nahe an der axialen Stirnseite des Rotors
angeordnet sind.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform
können
beispielsweise an der Stirnseite des Rotors festgelegte Verankerungen
vorgesehen sein, über
welche der Wickelkopf am Rotor radial fixiert ist. Diese Verankerungen
können
dabei mit abgewinkelten Endabschnitten der Wickelstäbe oder mit
Verbindungsabschnitten, welche je zwei Wickelstäbe an deren Enden miteinander
verbinden, oder mit am Wickelkopf angreifenden Haltekörpern oder mit
einem am Wickelkopf angreifenden gemeinsamen Halteelement zusammenwirken.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher die Endabschnitte der Wickelstäbe relativ stark abgewinkelt
sind, beispielsweise zwischen 70° und
90° gegenüber einer
parallel zur Rotationsachse verlaufenden Achse, und bei welcher
die Endabschnitte erster Wickelstäben axial weiter außen angeordnet
sind als die damit verbundenen Endabschnitte zweiter Wickelstäbe. Hierdurch
bilden die miteinander verbundenen Endabschnitte Laschen, die sich
in besonderer Weise zur Fixierung des Wickelkopfs am Rotor und/oder
zur Aussteifung des Wickelkopfs eignen. Beispielsweise können die genannten
Verankerungen über
diese Laschen am Wickelkopf angreifen. Des Weiteren ist es möglich, ein
gemeinsames, ringförmiges
Halteelement vorzusehen, das in Umfangsrichtung des Rotors durch mehrere,
vorzugsweise durch sämtliche
Laschen hindurchgeführt
ist. Dabei ist es insbesondere möglich,
besagtes Halteelement so anzuordnen, dass es im Betrieb an den Wickelstäben innerhalb
des Wickelkopfs angreifende, radial nach außen wirkende Kräfte aufnehmen
kann, indem es dabei in Umfangsrichtung verspannt wird. Hierdurch
wird der Wickelkopf bereits in sich ausgesteift und stabilisiert.
Darüber
hinaus kann optional vorgesehen sein, den Wickelkopf über besagtes
gemeinsames Halteelement am Rotor axial zu fixieren, zum Beispiel
mittels der genannten Verankerungen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors ergeben sich aus
den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils
schematisch,
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1 und 2 jeweils
einen stark vereinfachten axialen Teilschnitt durch einen Rotor
im Bereich eines Wickelkopfs, bei verschiedenen Ausführungsformen,
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3 eine
axiale Ansicht auf einen Ausschnitt des Wickelkopfs gemäß 2.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend
den 1 und 2 umfasst ein nur teilweise
dargestellter Rotor 1 eines im übrigen nicht gezeigten Generators
oder eines ebenfalls nicht gezeigten Elektromotors eine Rotorwicklung 2, von
der ebenfalls nur ein Teil dargestellt ist. Die mit dem Rotor 1 ausgestattete
Rotationsmaschine kommt vorzugsweise bei Kraftwerksanlagen zur Stromgewinnung
bzw. zum Antreiben von Turbomaschinen zum Einsatz und weist dementsprechend vergleichsweise
große
Dimensionen auf.
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Die
Rotorwicklung 2 besteht aus einer Vielzahl einzelner Wickelstäbe 3,
die in Längsnuten 4 (siehe 3)
verlegt sind. Die Längsnuten 4 sind
radial außen
im Rotor 1 ausgespart und erstrecken sich parallel zu einer
Rotationsachse 5 des Rotors 1.
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Zumindest
an einer axialen Stirnseite 6 des Rotors 1 weist
die Rotorwicklung 2 einen Wickelkopf 7 auf. Vorzugsweise
ist die Rotorwicklung 2 an beiden axialen Stirnseiten 6 des
Rotors 1 mit einem derartigen Wickelkopf 7 ausgestattet.
Der Wickelkopf 7 ist dadurch ausgebildet, dass die Wickelstäbe 3,
die axial aus den Längsnuten 4 herausgeführt sind,
jeweils mit wenigstens einem anderen Wickelstab 3 elektrisch
leitend verbunden sind.
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Beim
erfindungsgemäßen Rotor 1 sind
die Wickelstäbe 3 im
Bereich des Wickelkopfs 7 jeweils in einem außerhalb
der Längsnuten 4 angeordneten Endabschnitt 8 zur
Rotationsachse 5 hin gegenüber einem sich parallel zur
Rotationsachse 5 erstreckenden und weitgehend innerhalb
der jeweiligen Längsnut 4 verlaufenden
Längsabschnitt 9 abgewinkelt.
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Durch
die nach innen abgewinkelten Endabschnitte 8 wird die Masse
des Wickelkopfs 7 in Richtung der Rotationsachse 5 verschoben,
wodurch die im Betrieb am Wickelkopf 7 angreifenden Zentrifugalkräfte reduziert
werden. Je stärker
die Abwinklung der Endabschnitte 8 ausfällt, desto deutlicher ist die
Reduktion der auftretenden Zentrifugalkräfte.
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Die
einzelnen Wickelstäbe 3 bzw.
deren Endabschnitte 8 weisen im Wickelkopf 7 radial
innenliegende Enden 10 auf. Im Bereich dieser Enden 10 erfolgt
die elektrisch leitende Verbindung der innerhalb des Wickelkopfs 7 jeweils
miteinander verbundenen Wickelstäbe 3.
Hierzu können
an den miteinander verbundenen Enden 10 Verbindungsabschnitte 11 vorgesehen
sein, welche die elektrisch leitende Verbindung der zugehörigen Wickelstäbe 3 realisieren. Diese Verbindungsabschnitte 11 sind
vorzugsweise separate, elektrisch leitende Körper, beispielsweise Endkappen,
die auf die Enden 10 aufgesteckt und mit diesen fest verbunden
sind. Ebenso können
die Verbindungsabschnitte 11 miteinander verschweißte Bereiche
der Wickelstäbe 3 sein,
die an den Enden 10 ausgeformt sind.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen sind
die Wickelstäbe 3 in
zwei Gruppen, nämlich
in eine erste Gruppe 12 und in eine zweite Gruppe 13 unterteilt.
Die erste Gruppe 12 umfasst erste Wickelstäbe 3|| während
die zweite Gruppe 13 zweite Wickelstäbe 3|| aufweist.
Dabei ist je ein erster Wickelstab 3| mit
jeweils einem zweiten Wickelstab 3|| verbunden,
insbesondere über
besagte Verbindungsabschnitte 11.
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Wie
insbesondere aus 3 deutlich hervorgeht, sind
die Wickelstäbe 3 der
jeweiligen Gruppe 12, 13 jeweils in in Umfangsrichtung 14 des
Rotors 1 benachbarten Längsnuten 4 angeordnet.
Des Weiteren sind die Gruppen 12, 13 in Umfangsrichtung 14 zueinander
benachbart angeordnet. Dementsprechend sind die Endabschnitte 8 der
Wickelstäbe 3 außerdem in
Umfangsrichtung abgewinkelt, und zwar innerhalb der jeweiligen Gruppe 12, 13 in
Richtung der jeweils anderen Gruppe 12, 13.
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Des
Weiteren ist bemerkenswert, dass entsprechend den 1 und 2 die
Endabschnitte 8 der ersten Wickelstäbe 3| innerhalb
des Wickelkopfs 7 axial weiter außen angeordnet sind als die
Endabschnitte 8 der zweiten Wickelstäbe 3|| .
Des Weiteren sind bei den hier gezeigten Ausführungsformen die ersten Wickelstäbe 3| in den Längsnuten 4 radial weiter
außen
angeordnet als die zweiten Wickelstäbe 3|| .
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen sind
die Endabschnitte 8 relativ stark, nämlich etwa um 90° gegenüber einer
nicht eingezeichneten, parallel zur Rotationsachse 5 verlaufenden
Achse bzw. gegenüber
ihren Längsabschnitten 9 abgewinkelt. Dementsprechend
erstrecken sich die Endabschnitte 8 der ersten Wickelstäbe 3| in einer senkrecht zur Rotationsachse 5 verlaufenden
ersten Radialebene 15, während sich die Endabschnitte 8 der
zweiten Wickelstäbe 3|| in einer zweiten Radialebene 16 erstrecken,
die parallel zur ersten Radialebene 15 verläuft.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
können die
Endabschnitte 8 auch weniger stark gegenüber ihren
Längsabschnitten 9 abgewinkelt
sein. Beispielsweise sind Winkel zwischen 45° und 90° denkbar. Bevorzugt werden Winkel
größer als
70°, insbesondere
größer als
80°. Bei
Winkeln kleiner als 90° erstrecken
sich die Endabschnitte 8 der ersten Wickelstäbe 3| jeweils in einem ersten Kegelmantel,
der koaxial zur Rotationsachse 5 angeordnet ist, während sich
die Endabschnitte 8 der zweiten Wickelstäbe 3|| in einem zweiten Kegelmantel erstrecken,
der ebenfalls nicht dargestellt ist, ebenfalls koaxial zur Rotationsachse 5 angeordnet
ist und der gegenüber dem
ersten Kegelmantel axial beabstandet ist.
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Die
zuvor genannten Verbindungsabschnitte 11 erstrecken sich
hier parallel zur Rotationsachse 5. Bei der vorstehend
beschriebenen anderen Ausführungsform,
bei welcher die Endabschnitte 8 um weniger als 90° abgewinkelt
sind, können
sich die Verbindungsabschnitte 11 senkrecht zu den Kegelmänteln erstrecken.
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Entsprechend
den 1 und 2 sind die Endabschnitte 8 der
ersten Wickelstäbe 3| gegenüber den Endabschnitten 8 der
zweiten Wickelstäbe 3|| in axialer Richtung so weit beabstandet,
dass die Endabschnitte 8 von zwei miteinander verbunden
Wickelstäben 3 zusammen
mit dem jeweiligen Verbindungsabschnitt 11 quasi eine U-förmige Lasche
bilden. Diese nicht näher
bezeichneten Laschen vereinfachen die Stabilisierung des Wickelkopfs 7 sowie
die Fixierung des Wickelkopfs 7 am Rotor 1.
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Entsprechend 1 kann
bei einer ersten Ausführungsform
ein ringförmig
geschlossenes Halteelement 17 vorgesehen sein, das durch
mehrere, vorzugsweise durch sämtliche
Laschen in Umfangsrichtung 14 hindurchgeführt ist.
Dabei erstreckt sich das ringförmige
Halteelement 17 in der Umfangsrichtung 14 innerhalb
des Wickelkopfs 7 jeweils axial zwischen zwei miteinander
verbundenen Wickelstäben 3.
Das Halteelement 17 ist hier radial innen an den Verbindungselementen 11 abgestützt, wozu
es radial außen
an besagten Verbindungselementen 11 anliegt. Das Halteelement 11 kann
ein Ringstab sein oder eine Kordel oder ein Seil und besteht vorzugsweise
aus einem elektrisch isolierenden Material. Insbesondere kann das
Halteelement 17, eine mit Kunstharz getränkte Kordel
oder ein mit Kunstharz getränktes
Seil sein. Das Halteelement 17 bildet somit einen in sich
geschlossenen Ring, der es ermöglicht,
radial nach innen wirkende Kräfte
auf die Endabschnitte 8 des Wickelkopfs 7 zu übertragen.
Im Betrieb des Rotors 1 kann das Halteelement 17 somit Zentrifugalkräfte aufnehmen,
die an den Endabschnitten 8 des Wickelkopfs 7 angreifen.
Hierdurch wird der Wickelkopf 7 bereits in sich stabilisiert.
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Entsprechend
den 1 und 2 kann der Wickelkopf 7 an
der Stirnseite 6 des Rotors 1 relativ zum Rotor 1 radial
fixiert sein. Zu diesem Zweck können
gemäß den hier
gezeigten Ausführungsformen Verankerungen 18 an
der Stirnseite 6 festgelegt sein. Die Verankerungen 18 sind
dabei an einem als Joch bzw. Rim bezeichneten Bestandteil des Rotors 1 vorzugsweise
befestigt. Über
diese Verankerungen 18 kann nun der Wickelkopf 7 am
Rotor 1 radial fixiert werden. Die Verankerungen 18 sind
dabei bezüglich der
Endabschnitte 8 bzw. bezüglich der Verbindungsabschnitte 11 radial
innen am Rotor 1 angeordnet.
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Hierzu
können
besagte Verankerungen 18 grundsätzlich direkt an den Endabschnitten 8 und/oder
direkt an den Verbindungsabschnitten 11 angreifen. Bevorzugt
sind jedoch die hier gezeigten Ausführungsformen, bei welchen die
Verankerungen 18 indirekt an den Endabschnitten 8 bzw.
an den Verbindungsabschnitten 11 angreifen.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist an den Verankerungen 18 jeweils
ein Haken 19 befestigt, der hier exemplarisch nach Art
eines U-förmigen
Bügels
ausgestaltet ist. Besagter Haken 19 hintergreift das ringförmige Halteelement 17 radial außen. Hierdurch
ist besagtes Halteelement 17 radial nach außen am Rotor 1 fixiert.
Insgesamt ist dadurch der Wickelkopf 7 über das Halteelement 17 am
Rotor 1 radial fixiert, so dass die im Betrieb des Rotors 1 am Winkelkopf 7 angreifenden
Zentrifugalkräfte
auf den Rotor 1 übertragen
werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform sind an den Verankerungen 18 Haltekörper 20 befestigt.
Diese Haltekörper 20 sind
dabei so ausgestaltet, dass sie jeweils zwei Verbindungselemente 11,
die in der Umfangsrichtung 14 zueinander benachbart angeordnet
sind, radial außen
hintergreifen. Diese Haltekörper 20 können insbesondere
im Hinblick auf 3 in der dort gezeigten axialen
Ansicht vorzugsweise jeweils ein T-Profil besitzen. Ein nicht näher bezeichneter
langer Schenkel des T-Profils ist dann an der jeweiligen Verankerung 18 befestigt,
während die
beiden gegensinnig in der Umfangsrichtung 14 vom langen
Schenkel abstehenden, ebenfalls nicht näher bezeichneten kurzen Schenkel
jeweils einen der Verbindungsabschnitte 11 radial außen hintergreifen.
Bei der in 2 und 3 gezeigten
Ausführungsform
ist es nicht unbedingt erforderlich, sämtliche Wickelstäbe 3 des
Wickelkopfs 7 am Rotor 1 zu fixieren, um eine
hinreichende Stabilisierung des Wickelkopfs 7 zu erzielen.
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorwicklung
- 3
- Wickelstab
- 3|
- erster
Wickelstab
- 3||
- zweiter
Wickelstab
- 4
- Längsnut
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Stirnseite
- 7
- Wickelkopf
- 8
- Endabschnitt
- 9
- Längsabschnitt
- 10
- Ende
- 11
- Verbindungsabschnitt
- 12
- erste
Gruppe
- 13
- zweite
Gruppe
- 14
- Umfangsrichtung
- 15
- erste
Radialebene
- 16
- zweite
Radialebene
- 17
- Halteelement
- 18
- Verankerung
- 19
- Haken
- 20
- Haltekörper