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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer elektrischen Leistung von mindestens 1 MW.
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Die Rotoren derartiger elektrischer Großmaschinen müssen gelagert werden, wofür beispielsweise Gleitlager zum Einsatz kommen. Die Lager müssen mit einer tragenden Struktur verbunden sein, wobei die gesamte Anordnung die statischen und dynamischen Kräfte aufnimmt, die durch den Betrieb entstehen. Dabei werden Lagereinheiten elektrischer Großmaschinen üblicherweise über Flansche in axialer Richtung oder über Fußbefestigungen mit der Tragstruktur verbunden.
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Aus der
DE 197 09 222 A1 ist ein Lagerschild für elektrische Maschinen bekannt, welches in Umfangsrichtung unterschiedliche Sektoren aufweist. Die Sektoren können unterschiedliche Materialien und Materialdicken sowie Vertiefungen und Ausnehmungen aufweisen, so dass für die verschiedenen Sektoren verschiedene radiale Steifigkeiten und verschiedene Systemeigenfrequenzen erreicht werden. Durch Verdrehen der Lagerschilde in einer zu der Rotorachse senkrechten Ebene können somit Maschinen mit verschiedenen Eigenfrequenzen gewonnen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schwingungstechnischen Eigenschaften einer elektrischen Maschine zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten Stator, einen im Stator angeordneten Rotor mit einer Rotorwelle, zumindest ein Lagerschild, welches jeweils zumindest zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Lagerschildplatten und welches jeweils radial innen eine zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmige Lagerschildbuchse aufweist, wobei die jeweilige Lagerschildbuchse eine Buchsenlänge in axialer Richtung aufweist und die Lagerschildplatten eine jeweilige Plattendicke in axialer Richtung aufweisen, und zumindest einer innerhalb der jeweiligen Lagerschildbuchse angeordneten Lagereinheit aufweist, welche die Rotorwelle in Umfangsrichtung umschließt.
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Die zwei oder mehr Lagerschildplatten bilden jeweils ein Lagerschild, wobei die jeweilige, zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmige Lagerschildbuchse durch die Lagerschildplatten des jeweiligen Lagerschildes gehalten wird. Dies stellt eine besonders steife und resonanzarme Konstruktion dar, welche erlaubt, kritische Drehzahlen des Rotors und Eigenfrequenzen der nichtrotierenden Teile mit geringem Materialeinsatz in zulässige Bereiche außerhalb des Betriebsspektrums zu verschieben und die in internationalen Normen und Spezifikationen geforderten Schwingwertgrenzen einzuhalten. Dabei kann der Hohlraum zwischen den Lagerplatten als Belüftungskanal verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine erlaubt eine vergleichsweise platzsparende Anordnung, bei welcher beispielsweise der der Abstand zwischen an den beiden axialen Enden der Maschine befindlichen Lagern verringert wird, was außerdem in steiferen dynamischen Eigenschaften resultiert. Denn gegenüber herkömmlichen Lagerschilden für axiale Flansche ist der zumindest zwei Lagerschildplatten aufweisende, erfindungsgemäße Lagerschild bei vergleichbarem Materialaufwand wesentlich steifer. Und im Vergleich zu oftmals eingesetzten Lagerböcken für fußbefestigte Lager wird für die erfindungsgemäße elektrische Maschine weniger Material bei gleichzeitig verringerter axialer Baulänge benötigt.
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Erfindungsgemäß wird die zumindest eine Lagereinheit in der jeweiligen Lagerschildbuchse, einer zumindest abschnittsweise hohlzylindrischen bzw. rohrförmigen Anordnung, aufgenommen. Dabei ist die Lagerschildbuchse fester Bestandteil der Tragestruktur in Form des jeweiligen Lagerschildes, welches doppel- bzw. mehrwandig ausgeführt ist. Entgegen herkömmlicher Befestigungen bei elektrischen Maschinen dieser Leistungsklasse erfolgt die Aufnahme der jeweiligen Lagereinheit durch die jeweilige Lagerschildbuchse dabei weitgehend umlaufend, so dass in Umfangsrichtung ein Spalt verbleiben kann. Beispielsweise umschließt die jeweilige Lagerschildbuchse die jeweilige Lagereinheit zumindest über 270°.
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Zum einen können dadurch, dass das zumindest eine Lagerschild zumindest zwei Lagerschildplatten aufweist, ähnliche schwingungstechnische Eigenschaften wie bei herkömmlichen elektrischen Maschinen erreicht werden, wobei gleichzeitig für die erfindungsgemäße elektrische Maschine hierfür wesentlich weniger Material benötigt wird. Dies resultiert in einer kostengünstigeren Herstellung sowie einer elektrischen Maschine, die die eine wesentlich geringere Masse aufweist und daher einfacher zu transportieren ist.
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Und zum anderen ist es mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine möglich, Schwingwertgrenzen einzuhalten, die mit herkömmlichen elektrischen Maschinen und bei vergleichbarem Materialeinsatz nicht erreicht werden können. Weiterhin kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine derart ausgeführt werden, dass sie besonders große elektrische Leistungen von mehr als 20 oder 30 MW, insbesondere bei hohen Drehzahlen von mehr als 3600 Umdrehungen pro Minute, erreichen kann und dennoch akzeptable schwingungstechnische Eigenschaften aufweist, was mit herkömmlichen elektrischen Maschinen nicht mehr realisiert werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das jeweilige Lagerschild eine Lagerschilddicke in axialer Richtung auf und das Verhältnis zwischen der Lagerschilddicke und der Buchsenlänge ist größer als 4/5. Dadurch, dass sich die Lagerschildplatten des jeweiligen Lagerschildes über einen Großteil der axialen Länge der jeweiligen Lagerschildbuchse erstrecken und dabei mit der jeweiligen Lagerschildbuchse verbunden sind, ergibt sich eine besonders steife Konstruktion, wodurch besonders vorteilhafte schwingungstechnische Eigenschaften erreicht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der jeweiligen Plattendicke und der Buchsenlänge kleiner als 1/4 und das Verhältnis zwischen der Summe der jeweiligen Plattendicken und der Buchsenlänge kleiner als 1/2. Anstatt, wie bei herkömmlichen Maschinen üblich, ein Lagerschild besonders dick und massiv auszuführen, um eine besonders steife Konstruktion zu erreichen, weist das jeweilige Lagerschild erfindungsgemäß zumindest zwei Lagerschildplatten auf, welche insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Maschinen relativ dünn ausgeführt werden können. Weisen die Lagerschildplatten dabei jeweils eine axiale Dicke von weniger als 1/4 der Buchsenlänge auf, kann zum einen eine besonders materialsparende Konstruktion erreicht werden. Und zum anderen wird die Konstruktion der elektrischen Maschine sehr steif und erfüllt auch gesteigerte Anforderungen bezüglich Schwingwertgrenzen.
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Insbesondere wenn das jeweilige Lagerschild drei oder mehr Lagerschildplatten aufweist, wird dadurch, dass die Summe der jeweiligen Plattendicken kleiner als 1/2 der Buchsenlänge ist, eine materialsparende und dennoch sehr steife Ausführung des jeweiligen Lagerschildes gewährleistet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die zumindest eine Lagereinheit eine Lagerlänge in axialer Richtung auf, wobei die Rotorwelle an jener axialen Position, an welcher sie von der Lagereinheit in Umfangsrichtung umschlossen ist, einen Rotorwellendurchmesser aufweist, und wobei das Verhältnis zwischen der Lagerlänge und dem Rotorwellendurchmesser größer als 1 ist. Die Steifigkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird weiter erhöht, wenn die Lagerlänge größer als der Rotorwellendurchmesser ist, da auf die Rotorwelle wirkende Kräfte besonders gut an die jeweilige Lagereinheit übertragen werden können. Insbesondere wenn die Lagerlänge in etwa gleich der Buchsenlänge ist, wird dadurch ein besonders sicherer Sitz der jeweiligen Lagereinheit in der jeweiligen Lagerschildbuchse und eine besonders steife Verbindung der Rotorwelle über die jeweilige Lagereinheit mit der Lagerschildbuchse und somit dem restlichen Gehäuse gewährleistet.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Buchsenlänge größer als der Rotorwellendurchmesser gewählt werden, was ebenfalls die Steifigkeit der elektrischen Maschine erhöht. Dabei ist es möglich, mehrere Lagereinheiten axial hintereinander und innerhalb einer Lagerschildbuchse anzuordnen, beispielsweise wenn innerhalb einer Lagerschildbuchse sowohl ein Axiallager als auch ein Radiallager angeordnet sind. Die mehreren Lagereinheiten können gemäß dieser Alternative jeweilige Lagerlängen aufweisen, die kleiner als der Rotorwellendurchmesser sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die jeweilige Lagereinheit mit der jeweiligen Lagerschildbuchse kraft- oder formschlüssig verbunden. Insbesondere kann dabei eine rohrförmige Lagereinheit vorgesehen sein, welche bei der Montage der elektrischen Maschine in die Lagerschildbuchse eingeführt bzw. eingepresst wird, so dass eine kraft- oder formschlüssige Verbindung der Lagereinheit mit der jeweiligen Lagerschildbuchse hergestellt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Maschine einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, wobei jene Lagerschildplatten, die axial innen liegen, Öffnungen aufweisen, durch welche ein Kühlmedium hindurchführbar ist.
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Der geschlossene Kühlkreislauf der elektrischen Maschine kann dadurch erreicht werden, dass die Lagerschildplatte am jeweiligen äußersten axialen Ende keine Durchlässe für das Kühlmedium aufweist. Dadurch wird eine Kapselung der Maschine erreicht, was besonders bei explosionsgefährdeten Umgebungen von Vorteil ist.
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Um eine besonders gute Kühlung der gesamten elektrischen Maschine zu erreichen, weisen jene Lagerschildplatten, die axial weiter innen liegen, Öffnungen auf, durch welche das Kühlmedium beispielsweise mittels einer Strömungsmaschine hindurch bewegt werden kann. Durch eine geeignete Ausbildung von Kühlkanälen, welche durch die weiter innen liegenden Lagerschildplatten hindurchführen, können somit beispielsweise die Wickelköpfe des Stators besonders effektiv gekühlt werden.
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Weiterhin wird dadurch ermöglicht, dass das Kühlmedium durch einen Kühlkanal, der durch die axial weiter innen liegenden Lagerschildplatten hindurchgeführt, zur radial außen liegenden Mantelfläche der Lagerschildbuchse führbar ist. Dies gewährleistet eine effektive Kühlung der jeweiligen Lagereinheiten.
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Alternativ ist auch ein offener Kühlkreislauf denkbar, für welchen auch die axial außen liegenden Lagerschildplatten Öffnungen zur Hindurchführung des Kühlmediums aufweisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen jene Lagerschildplatten, die axial innen liegen, Ausnehmungen auf, in welche Wickelköpfe des Stators hineinragen. Dadurch, dass die Wickelköpfe in innen liegende Lagerschildplatten hineinragen können, ermöglicht die Tragstruktur in Form des jeweiligen Lagerschildes eine besonders kompakte Konstruktion der elektrischen Maschine. Insbesondere kann dadurch die axiale Baulänge der elektrischen Maschine bei erhöhter Steifigkeit verringert werden. Beispielsweise kann in den Ausnehmungen auch ein jeweiliger Wicklungsschild untergebracht werden. Zusätzlich kann durch die Ausnehmungen ein Kühlmedium hindurch bewegt werden, wodurch beispielsweise zusammen mit den zuvor genannten Öffnungen ein Kühlkreislauf gebildet werden kann, mittels welchem die zu besonders hohen Temperaturen neigenden Wickelköpfe besonders effektiv gekühlt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zumindest eine Lagereinheit ein Magnetlager. Das Magnetlager kann beispielsweise als Axialmagnetlager oder als Radialmagnetlager ausgeführt sein. Insbesondere durch die zumindest zwei Lagerschildplatten aufweisenden Lagerschilde und die damit einhergehende erhöhte Steifigkeit der Konstruktion ergibt sich bei aktiven Magnetlagern ein besonders stabiles Regelverhalten. Somit können auch besonders anspruchsvolle Schwingwertgrenzen eingehalten werden.
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Generell können für die zumindest eine Lagereinheit sowohl Gleitlager und/oder Wälzlager als auch Magnetlager und/oder Fanglager zum Einsatz kommen. Dabei können die verschiedenen Lager sowohl als Axiallager als auch als Radiallager ausgeführt werden.
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Insbesondere bei elektrischen Maschinen, bei denen die Rotationsachse des Rotors im montierten Zustand im wesentlich horizontal ist, kann es aus Montagegründen vorteilhaft sein, das Lagerschild und/oder das Gehäuse horizontal geteilt auszuführen, wobei das Ober- und Unterteil beispielsweise mittels einer Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann es sich um Generatoren oder Motoren handeln, die beispielsweise als Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen ausgeführt sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und
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2 in zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine weist ein Gehäuse 8 auf, innerhalb dessen ein Stator 9 mit einem Wickelkopf 6 am jeweiligen axialen Ende angeordnet ist. Innerhalb des Stators 9 ist ein Rotor 10 mit einer Rotorwelle 1 angeordnet, wobei die Rotorwelle 1 am jeweiligen axialen Ende mittels einer Lagereinheit 4 gelagert ist, welche die Rotorwelle 1 in Umfangsrichtung umschließt. Die jeweilige Lagereinheit 4 befindet sich jeweils in einer Lagerschildbuchse 3 eines Lagerschildes am jeweiligen axialen Ende der elektrischen Maschine. Dabei weist das jeweilige Lagerschild mindestens zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Lagerschildplatten 2 auf, welche der elektrischen Maschine eine besondere Steifigkeit und damit besonders gute schwingungstechnische Eigenschaften verleiht.
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Um die Steifigkeit weiter zu erhöhen, kann die elektrische Maschine beispielsweise wie folgt ausgelegt werden. Das jeweilige Lagerschild weist eine Lagerschilddicke 11 und die Lagerschildbuchse 3 eine Buchsenlänge 5 jeweils in axialer Richtung auf, wobei sich ein Verhältnis zwischen der Lagerschilddicke 11 und der Buchsenlänge 5 von größer als 4/5 als besonders vorteilhaft für die Steifigkeit der elektrischen Maschine erweist. Weiterhin weisen die Lagerschildplatten 2 in axialer Richtung eine jeweilige Plattendicke 7 auf, welche vorzugsweise derart gewählt wird, dass das Verhältnis zwischen der jeweiligen Plattendicke 7 und der Buchsenlänge 5 kleiner als 1/4 und das Verhältnis zwischen der Summe der jeweiligen Plattendicken 7 und der Buchsenlänge 5 kleiner als 1/2 ist. Schließlich weisen die jeweilige Lagereinheit 4 in axialer Richtung eine Lagerlänge 12 und die Rotorwelle 1 an jener Stelle, an welcher sie von der Lagereinheit 4 in Umfangsrichtung umschlossen ist, einen Rotorwellendurchmesser 13 auf, wobei eine vorteilhafte Ausführung vorsieht, dass die Lagerlänge 12 größer als der Rotorwellendurchmesser 13 ist.
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Der Übersichtlichkeit halber wurden in der 1 bei mehrfacher Darstellung nicht alle Gegenstände mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Da sich die beiden Ausführungsbeispiele weitgehend entsprechen, werden lediglich die Unterschiede diskutiert. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1 weist das jeweilige Lagerschild drei Lagerschildplatten 2 auf, wobei die beiden der axialen Mitte der elektrischen Maschine nächsten Lagerschildplatten 2 jeweils Ausnehmungen 15 aufweisen, in welche der jeweilige Wickelkopf 6 hineinragt. Weiterhin weisen die axial innen liegenden Lagerschildplatten 2 Öffnungen 14 auf, durch welche ein Kühlmedium hindurchführbar ist. Wird das Kühlmedium beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte Strömungsmaschine umgewälzt und sind die Öffnungen 14 geeignet positioniert, so kann sich ein Kühlmediumstrom 16, wie dargestellt, beim Betrieb der elektrischen Maschine einstellen. Dabei kann der Kühlmediumstrom 16 derart geführt werden, dass das Kühlmedium die radial außen liegende Mantelfläche der Lagerschildbuchse 3 kühlt.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer elektrischen Leistung von mindestens 1 MW. Um die schwingungstechnischen Eigenschaften einer elektrischen Maschine zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten Stator, einen im Stator angeordneten Rotor mit einer Rotorwelle, zumindest ein Lagerschild, welches jeweils zumindest zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Lagerschildplatten und welches jeweils radial innen eine zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmige Lagerschildbuchse aufweist, wobei die jeweilige Lagerschildbuchse eine Buchsenlänge in axialer Richtung aufweist und die Lagerschildplatten eine jeweilige Plattendicke in axialer Richtung aufweisen, und zumindest eine innerhalb der jeweiligen Lagerschildbuchse angeordnete Lagereinheit aufweist, welche die Rotorwelle in Umfangsrichtung umschließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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