DE102007039186A1

DE102007039186A1 - Läufer eines Traktionsmotors

Info

Publication number: DE102007039186A1
Application number: DE200710039186
Authority: DE
Inventors: Thomas Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009024485A2; WO2009024485A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer (1) eines Traktionsmotors mit Mitteln zur Läufererregung, die an und/oder in einem aus axial gestapelten Blechen aufgebauten Blechpaket (9) angeordnet sind, wobei die radiale Erstreckung des Blechpakets (9) im Wesentlichen der radialen Erstreckung der jeweiligen Mittel zur Läufererregung entspricht und wobei an jeder Stirnseite des Blechpakets (9) zumindest ein Läuferdruckring (2, 4) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer eines Traktionsmotors mit Mitteln zur Läufererregung, die an oder in einem in axial gestapelten Blechen angeordnet sind.
Traktionsmotoren werden vor allem als Antriebe für Triebfahrzeuge, Loks, Mining-Trucks oder Busse eingesetzt, und aufgrund der dort vorhandenen vorgegebenen beengten räumlichen Verhältnisse ist ein kompakter Aufbau der elektrischen Maschine notwendig. Nachteilig dabei ist, dass durch den kompakten Aufbau eine unzureichende Wärmeabfuhr aus den Wärmequellen des Traktionsmotors stattfinden kann.
Einen weiteren Aspekt bilden die jeweils nicht zu vernachlässigenden Massen der Traktionsmotoren, die ebenfalls zu bewegen sind und dadurch die zulässige Zuladung oder Achslast reduzieren.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Traktionsmotor zu schaffen, der neben einer Gewichtseinsparung einen äußerst kompakten Aufbau bei gleichzeitiger ausreichender Wärmeabfuhr gewährleistet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Läufer eines Traktionsmotors mit Mitteln zur Läufererregung, die an und/oder in einem aus axial gestapelten Blechen aufgebauten Blechpaket angeordnet sind, wobei die radiale Erstreckung des Blechpakets im Wesentlichen der radialen Erstreckung der jeweiligen Mitteln zur Läufererregung entspricht und wobei an jeder Stirnseite des Blechpakete zumindest ein Druckring vorhanden ist.
Das Blechpaket des Läufers hat nunmehr die Gestalt eines Rohres. Dessen radiale Erstreckung sich auf die elektrisch notwendige Jochhöhe beschränkt, wobei das durch elektromagneti sche Wechselwirkung induzierte Drehmoment durch über an die beiden Stirnseiten des Blechpakets wirkenden Läuferdruckringe über an sich bekannte Welle-Nabe-Verbindungen auf die Welle übertragen wird.
Um eine kompakte Antriebseinrichtung zu erhalten, sind vorteilhafterweise die Läuferdruckringe tellerförmig ausgeführt, so dass sich in dem nun zur Verfügung stehenden axialen Hohlraum des Läufers die Positionierung der Rotorlagerung teilweise oder auch komplett radial zwischen dem Blechpaket des Läufers und der Welle angeordnet ist.
Des Weiteren ist auch eine Drehmomentübertragung über ein T-förmiges Trägerelement möglich, wobei dann der Läufer axial durch Läuferendbleche fixiert ist.
Der Kraftfluss und zusätzlich die Zentrierung zwischen den einzelnen Blechen kann bei den oben genannten Ausführungsformen über Form- oder Reibschluss z. B. durch Stanzpaketieren sichergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind auch dabei Kombinationen aus Form- und Reibschluss möglich.
Der notwendige Druck im Blechpaket wird beispielsweise über Zuganker und/oder über axial vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen über die Läuferdruckringe oder die Läuferendbleche erzeugt.
Um den Läufer einer besseren Wärmeabfuhr zu unterziehen, sind die Läuferdruckringe bzw. die T-förmigen Trägerelemente vorteilhafterweise mit Durchbrüchen ausgestattet, die in einer speziellen Ausführungsform derartig gestaltete Ausnehmungen aufweisen, dass diese Ausnehmungen bzw. die verbleibenden Speichen zwischen den Ausnehmungen als Lüfterflügel wirken und so einen Kühlluftstrom innerhalb des Läufers und/oder der elektrischen Maschine verursachen.
Durch die damit verbundenen Luftverwirbelungen wird ein nahezu einheitliches Temperaturniveau innerhalb des Läufers und damit der elektrischen Maschine geschaffen.
Es wird u. a. ein Innenkühlkreislauf geschaffen, der nicht nur den Läufer kühlt, sondern in den auch weitere Wärmequellen der elektrischen Maschine, wie Lager, Wickelköpfe und Stator mit einbezogen werden können.
Die umgewälzte und erwärmte Innenluft wird durch am Gehäuse vorbeigeleitete Außenluft und/oder durch eine am Umfang der elektrischen Maschine angeordnete Flüssigkeitskühlung gekühlt.
Damit wird auch die Verlustwärme, die gegebenenfalls ein Kurzschlussring und/oder Permanentmagnete im Läufer erzeugen, abgeführt.
Selbstverständlich ist die Erfindung auch bei einer elektrischen Maschine mit einem grundsätzlich bekannten offenen Kühlkreislauf anwendbar, insbesondere dann, wenn der Verschmutzungsgrad der Umgebung vergleichsweise gering ist.
Der Kühleffekt innerhalb der elektrischen Maschine, gleich oder offener oder geschlossener Kühlkreislauf wird durch zusätzliche Leitelemente wie Umlenkungen, z. B. im Bereich der Wickelköpfe oder Düsenelementen weiter optimiert.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind schematisch in den folgenden Ausführungsbeispielen prinzipiell dargestellt; darin zeigen:
1, 5, 6, 7 erfindungsgemäße Läuferdarstellungen,
2, 4 Traktionsmotordarstellungen,
3 eine Detaildarstellung.
1 zeigt in einem prinzipiellen Längsschnitt einen Läufer 1 einer in dieser Darstellung nicht näher dargestellten elektrischen Maschine 10. Der Läufer 1 weist in der vorliegenden Ausführungsform als Mittel zur Läufererregung axial hintereinander angeordnete Permanentmagnete 3 auf, die in einer im Wesentlichen axial verlaufenden Ausnehmung 25 im Blechpaket 9 des Läufer 1 angeordnet sind. Dieses erfindungsgemäße Prinzip ist auch auf einen allgemein bekannten Kurzschlussläufer anwendbar.
D. h. die Permanentmagnete 3 sind vom Luftspalt der elektrischen Maschine 10 durch einen schmalen Blechsteg 27 getrennt, es handelt sich demnach um vergrabene Permanentmagnete 3. Die axiale Ausnehmung 25 kann zur Unterdrückung von Drehmomentwelligkeit auch bezüglich ihres axialen Verlaufs um einen vorgebbaren Winkelversatz geschrägt ausgeführt sein, so dass die Permanentmagnete 3 in ihrem axialen Verlauf dieser geschrägten Ausnehmung folgen.
Die radiale Ausdehnung der Bleche zwischen Permanentmagneten 3 und Welle 7 wird bestimmt durch die elektromagnetisch notwendige Höhe, um beispielsweise in diesem Bereich keine Sättigung zu erhalten.
Das Blechpaket 9 des Läufers 1 ist an seinen Stirnseiten mit einem A-seitigen Läuferdruckring 2 und einem B-seitigen Läuferdruckring 4 versehen und in dieser Ausführungsform durch einen Zuganker 8 fixiert. Die Läuferdruckringe 2 und 4 sind dabei auf eine Welle 7 aufgeschrumpft oder mit anderen an sich bekannten konstruktiven Welle-Nabe-Verbindungen mit dieser Welle 7 drehfest verbunden.
Insbesondere der Läuferdruckring 2 auf der A-seitigen Anordnung des Läufers 1 weist Mittel, insbesondere Labyrinthdichtungen 14 oder Bürstendichtungen zur Abdichtung des Maschineninnenraums gegenüber der Umgebung auf, wie sie in 3 prinzipiell dargestellt sind. Damit wird Feuchtigkeit und Schmutz, die insbesondere bei einem Traktionsantrieb anfallen, vom Maschineninnenraum zurückgehalten.
Radial unmittelbar am Blechpaket 9 an der inneren Mantelseite anliegend, befindet sich vorteilhafterweise ein Trägerelement 6, das beispielsweise als gerolltes Blech ausgeführt die Fixierung und Positionierung der Bleche des Blechpakets 9 erleichtert. Dieses Trägerelement 6 kann als gerolltes Blech oder aus spiralförmig aufgerollten Drähten ausgeführt sein. Wichtig für den Motorbetrieb ist dabei, dass das Trägerelement 6 eine ausreichend gute Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist, um somit die Verlustleistung aus dem Blechpaket 9 in den Innenraum des Läufers 1 zu gewährleisten. Die Wärme wird dann an einen Kühlluftstrom 5 abgeben, der durch die Durchbrüche 15 und 16 strömt. Die Strömung wird dabei durch spezielle Lüfter oder durch die lüfterförmige Gestaltung der Durchbrüche 15, 16 erzeugt.
2 zeigt in prinzipieller Darstellung einen permanenterregten Synchronmotor als Traktionsantrieb, mit einem Läufer 1, ähnlich dem Läufer 1 gemäß 1, wobei unterschiedlich dazu, der A-seitige Läuferdruckring 2 tellerförmig ausgestaltet ist, so dass sich Lagereinrichtungen 13 nahezu oder zumindest zum Teil radial innerhalb des Blechpaketes 9 des Läufers 1 befinden.
Die tellerförmige Ausgestaltung zumindest eines Läuferdruckringes 2, 4 gestattet vorteilhafterweise eine Tellerbiegung, um somit das Sitzverhalten des axial verspannten Blechpakets 9 z. B. während der Montage und/oder aufgrund thermischer Vorgänge zu kompensieren. Unter Tellerbiegung ist dabei in diesem Fall zu verstehen, dass der an der Welle 7 befindliche Bereich des Läuferdruckringes sich nicht bewegt, während der radial äußere Bereich dieses Läuferdruckringes eine axiale Bewegung gestattet.
Grundsätzlich sind zusätzliche hochfeste Platten 26 zur Fixierung des Blechpakets 9 einsetzbar.
Damit wird ein noch kompakterer Aufbau des Traktionsmotors, bei gleichzeitig ausreichender Kühlung des Läufers 1 gewähr leistet. Ein Innenkühlkreislauf wird dabei durch die Förderwirkung beispielsweise der Durchbrüche, den hohlen Läufer 1 und nicht näher dargestellten axialen Kühlkanälen in und/oder am Stator 11 gebildet. Labyrinthdichtungen 14 dichten den Innenraum des Traktionsmotors insbesondere auf der A-Seite ab.
Radial außerhalb des Läufer 1 befindet sich der Stator 11 mit seinem Wicklungssystem und dessen axial ausragenden Wickelköpfen 12, die durch den oben beschriebenen Kühlkreislauf mitgekühlt werden. Die Wärme wird über das Gehäuse der elektrischen Maschine 10 und/oder über die Welle 7 nach außen abgegeben.
Bei der Abgabe der Wärme über die Welle 7 geschieht dies entweder über ein nicht näher dargestelltes Getriebe und damit über das dort vorhandene Getriebeöl oder bei einem Direktantrieb direkt über die mit der Welle verbundenen Treibräder des Traktionsmotors, insbesondere bei einem Schienenfahrzeug.
4 zeigt in einer weiteren Ausführungsform einen Läufer 1 einer elektrischen Maschine 10, wobei das Blechpaket 9 mit lediglich einem Läuferdruckring 4 direkt auf die Welle 7 geschrumpft ist. Der jeweils andere Läuferdruckring 2 ist durch eine Spannhülse 20 mit der Welle 7 drehfest verbunden. Damit wird die Montage des Läufers 1 erheblich vereinfacht, da nur ein Presssitz bei der Montage zu berücksichtigen ist. Damit werden Materialspannungen innerhalb des Läufers 1 vermieden, da über die Spannhülse 20 erst nach der Positionierung auf der Welle 7 eine endgültige Fixierung des anderen Läuferdruckrings geschaffen wird.
Des Weiteren ist in 4 gestrichelt dargestellt ein möglicher Verlauf eines Kühlkanals 28 im Rücken des Stators 11 als Teil des Gehäuses 17, der damit einen Teil des Innenkühlkreislaufs bildet.
Des Weiteren ist das Blechpaket 9 des Läufers 1 einen Zuganker 8 zusätzlich fixiert, der nicht notwendigerweise über seinem axialen Verlauf am Blechpaket 9 anliegt.
In einer weiteren Ausführungsform nach den 5, 6 wird, um einen kompakten und trägheitsarmen Aufbau des Läufers 1 zu erreichen, das Trägerelement 6 T-förmig ausgeführt, das bzgl. der axialen Ausdehnung des Läufers 1 im wesentlichen mittig mit der Welle 7 drehfest verbunden.
Der Schaft des Trägerelements 6 ist dabei speichenförmig ausgebildet wobei Durchbrüche 21 als Kühlkanäle ausgebildet sind und vorteilhafterweise derart gestaltet sind, dass sie Lüfterfunktion übernehmen. Der an der Welle 7 befindliche Teil des Trägerelements 6 bildet somit eine Nabe 19, die insbesondere bei zweigeteiltem Trägerelement 6 auch als Läufersteg bezeichnet wird und mit der Welle 7 drehfest verbunden ist.
Das zweigeteilte Trägerelement 6 ist aus einem Trägerrohr 22 und einem Läufersteg aufgebaut. Dabei sind sowohl der Läufersteg auf der Welle 7 als auch das Trägerrohr 22 auf dem Läufersteg drehfest angebracht, insbesondere form- und oder Stoffschlüssig verbunden beispielsweise durch eine Schrumpfverbindung.
Der Läufer 1 wird dabei an seinen Stirnseiten durch Läuferendscheiben 23 durch Schrauben 24 in dem Trägerelement fixiert. Schrauben 24 dienen auch der Fixierung von Lüfterflügeln 18 am Trägerelement 6 oder Blechpaket 9. Damit ist erforderlich, dass zumindest im Bereich der Stirnseiten des Läufers 1 das Trägerelement 6 Erweiterungen aufweist die eine Schraubverbindung erlauben.
In 6 ist auf der linken Seite der Darstellung das Blechpaket 9 durch eine gesinterte Form 90 ersetzt.
7 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Läufer 1 mit einem T-förmigen Trägerelement 6 mit mehreren Läu ferendscheiben 23 an die Lüfterflügel 18 und/oder nicht näher dargestellte Abstandshalter angebracht sind.
Die Erfindung ist letztlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Kombinationen einzelner Komponenten der genannten Ausführungsbeispiele, die dann wiederum eine eigene Ausführungsform bilden können.

Claims

Läufer (1) eines Traktionsmotors mit Mitteln zur Läufererregung, die an und/oder in einem aus axial gestapelten Blechen aufgebauten Blechpaket (9) angeordnet sind, wobei die radiale Erstreckung des Blechpakets (9) im Wesentlichen der radialen Erstreckung der jeweiligen Mitteln zur Läufererregung entspricht und wobei an jeder Stirnseite des Blechpakets (9) zumindest ein Läuferdruckring (2, 4) vorhanden ist.
Läufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferdruckringe (2, 4) mit einer durch den Traktionsmotor angetriebenen Welle (7) drehfest verbunden sind.
Läufer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferdruckringe (2, 4) axiale Durchbrüche (15, 16) zur Luftkühlung aufweisen.
Läufer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferdruckringe (2, 4) strömungstechnisch derart gestaltet sind, dass bei Drehung des Läufers (1) die Durchbrüche (15, 16) einen Luftstrom erzeugen.
Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Läuferdruckring (2, 4) tellerartig ausgeführt ist.
Läufer (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Läuferdruckring (2, 4) Tellerbiegung zulässt, um so das Sitzverhalten des axial verspannten Blechpakets (9) zu kompensieren.
Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Trägerelement (6) unmittelbar am radial inneren Rand des Blechpakets (9) anschließt und zur Fixierung des Blechpakets (9) beiträgt.
Läufer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) ein Rohr aus gerolltem Blech ist.
Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Läufererregung als Kurzschlusskäfig und/oder Permanentmagnete (3) ausgeführt sind.
Läufer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Stäbe im Blechpaket (9) als auch die Permanentmagnete (3) schräg ausgeführt sind, so dass sich über die axiale Länge des Läufers (1) betrachtet ein vorgebbarer Versatz in Umfangsrichtung ergibt.
Dynamoelektrische Maschine, insbesondere Traktionsmotor mit einem Läufer (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamoelektrische Maschine einen geschlossenen Innenkühlkreislauf oder einen nach außen offenen Kühlkreislauf aufweist.
Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Außenkühlung ein Luft- und/oder Wasserkühlung vorgesehen ist.