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Die Erfindung betrifft einen Tragring für den Wickelkopf einer elektrodynamischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Befestigung der Wickelköpfe von Rotorwicklungen ist es unter anderem üblich, die Wickelköpfe innen durch einen ringartigen Wickelkopfträger abzustützen und die Wickelköpfe auf diesem Wicklungsträger mit Hilfe von Bandagen zu fixieren. Insbesondere bei größeren Maschinen kann anstelle einer Bandage auch ein mehrfach geteilter Tragring verwendet werden, der mit Isolierzwischenlagen an den Wickelköpfen anliegt und mit Hilfe von Schrauben am Wicklungsträger fixiert wird. Bei besonders großen Fliehkräften können auch Kappen über die Wickelköpfe geschoben werden. Derartige Kappen sind insbesondere zur Fixierung der Wickelköpfe des Rotors von Turbogeneratoren üblich (Buch
'Leitfaden der Elektrotechnik' – Band 3 – 'Konstruktions- und Festigkeitsberechnungen elektrischer Maschinen' Verfasser: Dr. C. von Dobbeler, 1962, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart, Seiten 25 bis 29 und 58 bis 62; siehe auch
DE 26 29 574 B2 und
DE-PS 7 01 612 ). Es ist weiterhin bekannt, die von der umlaufenden Erregerspule einer Synchronmaschine ausgehenden Fliehkräfte mit Hilfe von an der äußeren Stirnseite der Erregerspule anliegenden Haltebrücken aufzunehmen, die ihrerseits durch am Laufkörper der Maschine befestigte, auf Zug beanspruchte Bolzen gehalten werden, siehe auch
DE-PS 9 50 659 .
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Die Wickelköpfe sind stromdurchflossen. Sie werden daher auf höhere Temperaturen erwärmt und dehnen sich aus. Der Wickelkopfträger hingegen ist nicht stromdurchflossen und bleibt daher kalt. Um hieraus resultierende mechanische Spannungen zu vermeiden, ist es aus der
WO 2010/115483 A1 , ebenso wie aus der
GB 1,112,129 bekannt, die Wickelköpfe auf Tragringen zu befestigen, welche drehfest und in axialer Richtung der Rotationsachse des Rotors verschieblich auf dem Rotor beziehungsweise auf einer den Rotor tragenden Nabe gelagert sind. Der Wickelkopfträger, beispielsweise in Form der beschriebenen Tragringe, ist also in axialer Richtung zumindest zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag frei beweglich. Dehnen sich die Wicklungselemente in den Nuten des Rotorkörpers und im Bereich des Wickelkopfs nun durch die Erwärmung aus, dann führt der Wickelkopfträger eine Ausgleichsbewegung in axialer Richtung aus.
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Die Problematik liegt nun darin, dass insbesondere bei sehr großen Maschinen, typischerweise in einer Größenordnung von 30 MVA oder größer, die Rotationsachse der dynamoelektrischen Maschine typischerweise in Richtung der Schwerkraft verläuft. Dadurch muss das gesamte Gewicht von den Wicklungselementen getragen und im Falle einer thermischen Ausdehnung der Wicklungselemente von diesen verschoben werden. Da der Wickelkopfträger aufgrund der oben beschriebenen typischen Durchmesser derartiger Maschinen entsprechend schwer ist, sind oft große Gewichtskräfte zu überwinden. Dies kann zu sehr hohen Spannungen im Bereich der Wicklungselemente führen, welche das Material der Wicklungselemente entsprechend stauchen und/oder verformen können. Insbesondere kann die Situation auftreten, dass die Wicklungselemente, welche typischerweise im Bereich der Nuten verkeilt ausgeführt sind, das Gewicht des Wickelkopfträgers auf Dauer nicht vollständig tragen können, sodass es im Laufe der Zeit zu einem Absinken der gesamten Wicklung gegenüber dem Rotorkörper in Richtung der Schwerkraft nach unten kommen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu lösen und Wicklungselemente für eine elektrodynamische Maschine zur Verfügung zu stellen, die ein zeitbedingtes Absinken der Wicklung gegenüber dem Rotationskörper ausschließen, die darüber hinaus konstruktiv einfach aufgebaut und leicht herstellbar, sowie zuverlässig und weitgehend wartungsfrei sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Tragring für den Wickelkopf einer elektrodynamischen Maschine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Tragrings besteht darin, dass die daran und/oder darin angebrachten Ausnehmungen dessen Gewicht deutlich reduzieren, ohne jedoch seine Tragkraft zu schwächen. Denn die Ausnehmungen sind so bemessen und angeordnet, dass sie seitlich der Hauptkraftflussverläfe in dem Tragring liegen und somit keine Schwächung des Materials unter den tatsächlichen, im Betrieb des Tragrings auftretenden Belastungen hervorrufen. Mit anderen Worten wird ein Verhältnis zwischen Tragkraft und Gewicht des erfindungsgemäßen Tragrings, verglichen mit einem Tragring herkömmlicher Form ohne diese Ausnehmungen, deutlich erhöht. In der Folge wird ein Absinken des Wickelkopfes gegenüber dem Rotorkörper ausgeschlossen, wenigstens jedoch stark vermindert.
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Die im Betrieb des Tragrings auftretenden Hauptkraftflussverläufe erstrecken sich dabei im Wesentlichen zwischen Krafteinleitungspunkten an seinem Außenrand, an denen die Fliehkräfte des Wickelkopfes in den Tragring eingeleitet werden, und Kraftausleitungspunkten an seinem Innenumfang, an denen diese Kräfte von dem Tragring auf den Rotorkörper oder auf ein damit umlaufendes Teil übertragen werden. Im Anlaufbetrieb einer elektrodynamischen Maschine verläuft dabei die Kraftflussrichtung vom Innenrand zum Außenrand des Tragrings, da der Rotorköper oder das mit ihm umlaufende Teil den Wickelkopf zunächst in Rotation versetzen muss. Im stationären Betrieb überwiegen schließlich die radialen Fliehkräfte des Wickelkopfes, die in umgekehrter Richtung auf den Rotor oder das mit ihm umlaufende Teil zu übertragen sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Tragrings sind in den Unteransprüchen angegeben, die sich insbesondere mit der Ausformung und Anbringung der Ausnehmungen beschäftigen, durch welche einerseits Material entfernt, andererseits die Hauptkraftflussverläufe in dem Tragring nicht beeinflusst werden.
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Danach sind die Ausnehmungen in Form von Einbuchtungen ausgeführt, welche am Außenumfang des Tragrings zwischen Befestigungspunkten des Tragrings zum Befestigen des Wickelkopfes angebracht sind. Da diese Bereiche im Betrieb des Tragrings weitgehend unbelastet sind, wird dessen Tragfähigkeit nicht geschwächt, sein Gewicht aber deutlich reduziert. Die Befestigungspunkte sind dabei vorzugsweise als Gewindebohrungen zum Verschrauben des Wickelkopfes an dem Tragring ausgeführt, um eine möglichst großflächige Einleitung der Kräfte zu gewährleisten, welche Spannungsspitzen vermeidet. Zusätzlich oder alternativ zu den an seinem Außenrand angebrachten Einbuchtungen können diese auch an der Oberfläche des Tragrings zwischen dessen Außenumfang und Innenumfang angebracht sein. Auch dadurch wird Material eingespart und das Gewicht des Tragrings reduziert.
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Gleichsam zusätzlich oder alternativ können die Ausnehmungen aber auch in Form von Durchbrechungen des Tragrings ausgeführt sein, welche zwischen dessen Außenumfang und Innenumfang angebracht sind. Anforderungsabhängig können diese einen kreisrunden, einen elliptischen und/oder einen mehreckigen, insbesondere einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. In jedem Fall kann je nach Anordnung und Bemessung der Ausnehmungen eine gewünschte Tragfähigkeit des Tragrings auch abseits der Hauptkraftflussverläufe gewährleisten werden. Spannungsspitzen im Bereich der Ausnehmungen werden in üblicher Art durch möglichst runde Ausführung von Kanten oder Ecken, mit anderen Worten durch weiche Formgebung vermieden.
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Im Fall einer besonders ausgeprägten Tragfähigkeits- zu Gewichtsoptimierung eines Tragrings sind die Ausnehmungen in Form von Einbuchtungen und/oder Durchbrechungen ausgeführt und so bemessen und angeordnet, dass der Tragring eine fachwerkartige Struktur aufweist. Das Fachwerk ist dabei so gestaltet, dass es die Hauptkraftflussverläufe abbildet. Ein solches Fachwerk wird bevorzugt dadurch gebildet, wenn die Ausnehmungen in Form von Durchbrechungen mit dreiecksförmigem Querschnitt ausgeführt sind, und diese Ausnehmungen über den Umfang des Tragrings hinweg in wechselnder Folge mit ihrer Basis bzw. ihrer Spitze zu dessen Außenumfang zeigend angebracht sind.
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Analog zur Wahl von Gewindebohrungen am Außenrand des Tragrings wird eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung über den Innenrand de Tragrings hinweg dadurch erreicht, wenn dieser mit einer Vielzahl von Nuten zum Eingreifen in eine Keilwelle versehen ist.
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Der erfindungsgemäße Tragring ist grundsätzlich nicht auf einen Einsatz in einer elektrodynamischen Maschine beschränkt, sondern könnte ohne Weiteres auch in anderen Maschinenarten Verwendung finden, wo eine Gewichtsreduktion von Vorteil ist. Bevorzugt ist es aber, eine solche elektrodynamische Maschine damit auszustatten, da ein Absenken von deren Wickelkopf wirksam verhindert wird. Dies gilt in besonderem Maße für doppelgespeiste Asynchronmaschinen, bei denen gleich zwei Wickelköpfe in der gewünschten Position gehalten werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Segment einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings für eine elektrodynamische Maschine, dessen Außenumfang mit Ausnehmungen in Form von Einbuchtungen zwischen im Tragring auftretenden Hauptkraftflussverläufen versehen ist;
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2 eine Draufsicht auf ein Segment einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings für eine elektrodynamische Maschine, dessen Oberfläche mit Ausnehmungen in Form von kreisrunden Durchbrechungen zwischen im Tragring auftretenden Hauptkraftflussverläufen versehen ist;
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3 eine Draufsicht auf ein Segment einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings für eine elektrodynamische Maschine, dessen Oberfläche mit Ausnehmungen in Form von elliptischen Durchbrechungen zwischen im Tragring auftretenden Hauptkraftflussverläufen versehen ist, und
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4 eine Draufsicht auf das Segment einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings für eine elektrodynamische Maschine, dessen grundsätzlicher Aufbau dem Tragring der 1 entspricht, dessen Oberfläche jedoch zusätzlich mit Ausnehmungen in Form von dreieckigen Durchbrechungen zwischen im Tragring auftretenden Hauptkraftflussverläufen versehen ist.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Segment einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings 10.1 für eine elektrodynamische Maschine, dessen Außenumfang A mit Ausnehmungen 20.1... 20.4 in Form von Einbuchtungen zwischen im Tragring 10.1 auftretenden Hauptkraftflussverläufen K.1... K.3 versehen ist. Die Einbuchtungen 20.1... 20.4 sind dabei zwischen Befestigungspunkten 30.1... 30.3 für einen Wickelkopf (nicht dargestellt) ausgebildet, die hier beispielhaft als Gewindebohrungen ausgeführt sind. Der Tragring 10.1 ist an seinem Innenumfang I mit Nuten N versehen und ist auf einen Rotorkörper 40 aufgesteckt, der als Keilwelle ausgeführt ist. Der Rotorkörper 40, der Tragring 10.1 und der Wickelkopf drehen sich im Betrieb der elektrodynamischen Maschine um eine Rotationsachse R. Alternativ oder zusätzlich können weitere Einbuchtungen an einer Oberfläche O des Tragrings 10.1, wiederum zwischen den Hauptkraftflussverläufen K.1... K.3 vorgesehen sein. Wie aus dieser ersten Ausführungsform des Tragrings 10.1 ersichtlich ist, werden die Hauptkraftflussverläufe K.1... K.3, die hier aus der Fliehkraft des Wickelkopfs herrühren sollen, durch die am Außenumfang A des Tragrings angebrachten Einbuchtungen 20.1... 20.4 nicht beeinflusst, gleichzeitig aber Material eingespart. Dadurch wird ein Verhältnis zwischen Tragfähigkeit und Gewicht des erfindungsgemäßen Tragrings 10.1 gegenüber einem herkömmlichen Tragring erhöht. Ein zeitbedingt auftretendes Absinken des mit dem Tragring 10.1 verschraubten Wickelkopfes wird durch diese Gewichtsreduktion verhindert, und die Tragfähigkeit des Tragrings 10.1 bleibt dennoch erhalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass die hier dargestellten Einbuchtungen 20.1... 20.4 nur beispielhaft einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen; sie können anforderungsabhängig auch wesentlich tiefer in den Tragring 10.1 hinein verlaufend gewählt sein, und z. B. mit halbelliptischen oder keilförmigem Querschnitt ausgebildet sein.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Segment einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings 10.2 für eine elektrodynamische Maschine, dessen Oberfläche O mit Ausnehmungen 20.1... 20.4 in Form von kreisrunden Durchbrechungen zwischen im Tragring 10.2 auftretenden Hauptkraftflussverläufen K.1... K.3 versehen ist. Mit derartig angeordneten und bemessenen Durchbrechungen 20.1... 20.4 lassen sich ebenfalls Gewichtsreduzierungen erzielen, ohne die Tragfähigkeit des Tragrings 10.2 zu schwächen. Diese sind zudem besonders einfach als Durchgangsbohrungen jeweils gewünschter Größe ausführbar. Natürlich ist es nicht nur möglich, diese Bohrungen in Umfangsrichtung anzubringen, sondern auch in radialer Richtung, z. B. mit zum Innenrand I des Tragrings 20.2 abnehmendem Durchmesser.
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Die 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Segment einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings 10.3 für eine elektrodynamische Maschine, dessen Oberfläche O mit Ausnehmungen 20.1... 20.4 in Form von elliptischen Durchbrechungen zwischen im Tragring 10.3 auftretenden Hauptkraftflussverläufen K.1... K.3 versehen ist. Mit diesen elliptischen Durchbrechungen 20.1... 20.4 kann – je nach radialer Streckung der Ellipse – besonders viel Material beidseitig der Hauptkraftflussverläufe K.1... K.3 entnommen werden, ohne die Tragfähigkeit des Tragrings 20.3 zu schwächen. Bei entsprechend langgestreckter Ausführung der elliptischen Durchbrechungen 20.1... 20.4 entsteht ein fachwerkartiger Aufbau des Tragrings 10.3, der eine maximale Erhöhung des Verhältnisses zwischen Tragfähigkeit und Gewicht zulässt. Durch computernumerisch gesteuerte Ausfräsung der elliptischen Durchbrechungen 20.1... 20.4 ist dieser zudem besonders einfach herzustellen.
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Die 4 zeigt eine Draufsicht auf das Segment einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tragrings 10.4 für eine elektrodynamische Maschine, dessen grundsätzlicher Aufbau dem Tragring 10.1 der 1 entspricht, dessen Oberfläche jedoch zusätzlich mit Ausnehmungen 20.1... 20.8 in Form von dreieckigen Durchbrechungen zwischen im Tragring 10.4 auftretenden Hauptkraftflussverläufen K.1... K.3 versehen ist. Die zwischen Außenrand A und Innenrand I im Tragring 10.4 angeordneten dreieckigen Durchbrechungen 20.5... 20.8 sind über den Umfang des Tragrings 10.4 hinweg angeordnet, wobei ihre jeweilige Spitze bzw. ihre jeweilige Basis in abwechselnder Folge zum Innenumfang I des Tragrings 10.4 ausgerichtet ist. Auch dadurch entsteht ein fachwerkartiger Aufbau des Tragrings 10.4, dessen Fachwerk aber die Hauptkraftflussverläufe K.1... K.3 aufnimmt und damit die Tragfähigkeit der Tragrings 10.4 nicht schwächt. Zusammen mit dem am Außenumfang A des Tragrings 10.4 wie in der ersten Ausführungsform eines Tragrings 10.1 der Figur 10.1 zwischen Befestigungspunkten 30.1... 30.3 angebrachten Ausnehmungen 20.1... 20.4 in Form von halbkreisförmigen Einbuchtungen ergibt sich eine Gewichtsreduzierung des Tragrings 10.4, die ein Absinken des daran gehaltenen Wickelkopfes ausschließt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen Tragring für eine dynamoelektrische Maschine näher erläutert wurde, ist sie keinesfalls darauf beschränkt, sondern kann prinzipiell auch in jeder anderen Maschine verwendet werden, in der eine entsprechende Belastung eines Tragrings zu erwarten ist. Die erfindungsgemäßen Vorteile sind auch daran zu beobachten. In dem speziellen Fall erforderliche Anpassungen des Tragrings, insbesondere die Formgebung und die Platzierung seiner Ausnehmungen, stehen im Wissen und Können des Fachmanns.
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Bezugszeichenliste
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- 10.1... 10.4
- Tragringe für einen Wickelkopf
- 20.1... 20.8
- Ausnehmungen in/am Tragring
- 30.1... 30.3
- Befestigungspunkte für den Wickelkopf
- A
- Außenumfang des Tragrings
- I
- Innenumfang des Tragrings
- K.1... K.3
- Hauptkraftflussrichtungen
- N
- Nuten
- O
- Oberfläche des Tragrings
- R
- Rotationsachse eines Rotorkörpers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2629574 B2 [0002]
- DE 701612 [0002]
- DE 950659 [0002]
- WO 2010/115483 A1 [0003]
- GB 1112129 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 'Leitfaden der Elektrotechnik' – Band 3 – 'Konstruktions- und Festigkeitsberechnungen elektrischer Maschinen' Verfasser: Dr. C. von Dobbeler, 1962, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart, Seiten 25 bis 29 und 58 bis 62 [0002]
