DE102016104594A1

DE102016104594A1 - Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen zur Schallreduktion

Info

Publication number: DE102016104594A1
Application number: DE102016104594.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gündel; Christian Klotz
Original assignee: SACHSENWERK GmbH; VEM Sachsenwerk GmbH
Current assignee: SACHSENWERK GmbH; VEM Sachsenwerk GmbH
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14
Also published as: EP3430709A1; WO2017157384A1; DE112017001289A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ständergehäuse für eine mittlere oder große elektrische Maschine zur Schallreduktion. Aufgabe ist es ein Ständergehäuse 1 für eine mittlere oder große rotierende elektrische Maschinen zur Schallreduktion zu schaffen, dass sowohl eine sehr hohe mechanische Steifigkeit als auch eine gewisse Elastizität ermöglicht, konstruktiv einfach, billig in der Herstellung und universell für unterschiedlich große elektrische Maschinen einsetzbar ist. Beim Ständergehäuse 1 sind zur Schallreduktion als schwingungsvermindernde Elemente besonders ausgebildete elastische Elemente in den Zwischenwänden 4 des damit verstärkten Ständergehäuse 1 angeordnet. Dabei sind in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuses 2 offene Schlitze 4f auf einem Radius kreisringförmig gleich oder ungleichmäßig verteilt so angeordnet, dass zwischen einem inneren Ring 4a und einem Außenbereich der Zwischenwand 4e eine bestimmte Anzahl gerichteter Stege 4c ausgebildet sind. Diese gerichteten Stege 4c wirken mittels der offenen Schlitze 4f in radialer Richtung als elastische Elemente, d. h. sie wirken schwingungsdämpfend bzw. entkoppelnd, während die gerichteten Stege 4c dagegen in Umfangsrichtung betrachtet, d. h. in tangentialer oder nahezu tangentialer Richtung die aus dem Ständerblechpaket kommenden Zugspannungswellen und Momentenpendelungen nach außen auf die äußeren stabileren Teile, d. h. auf den Außenbereich der Zwischenwand 4e des konstruktiv festen Ständergehäuses 1 übertragen. Des Weiteren sind die Zwischenwände in den Außenbereichen 4e materialmäßig verstärkt oder es sind zusätzliche Ergänzungsmassen angeordnet. Die Erfindung ist einsetzbar für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen im Leistungsbereich größer als 200 KW.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ständergehäuse für große rotierende elektrische Maschinen im Leistungsbereich größer als 200 KW zur Schallreduktion für unterschiedliche Einsatzorte mittels schwingungsvermindernder Elemente in einem durch Zwischenwände verstärkten Ständergehäuse, wie beispielsweise auf Schiffen oder insbesondere für Motoren oder Generatoren in Windkraftanlagen.
Im Betrieb großer elektrischer Motoren und Generatoren (Leistung größer 200 kW) entstehen magnetische Kraftfelder, welche zu einem großen Anteil in radialer Richtung zwischen Ständer und Läufer wirken. Diese Kraftfelder besitzen auf dem Umfang des Blechpakets periodische Inhomogenitäten, die hier als radiale Zugspannungswellen bezeichnet werden, und deren Frequenzen ein großes Vielfaches (i.d.R. > 8) der Drehfrequenz sind. Geometrisch können sie als Überlagerung umlaufender Sinusfunktionen mit unterschiedlicher Anzahl an Durchmesserknoten dargestellt werden. Die Zugspannungswellen führen sowohl bei sinusförmiger Speisung, noch mehr jedoch im Umrichterbetrieb zu radialen Schwingungen des Blechpakets, welche sich auf Gehäuse und Füße der elektrischen Maschine fortpflanzen und so einen Großteil der Luft- und Körperschallemissionen der gesamten Maschine verursachen.
In verschiedenen Branchen werden der Luft- und Körperschallemission der elektrischen Maschinen Grenzwerte seitens der Abnehmer oder des Gesetzgebers gesetzt. Im Bereich Windenergie sind dies die strengen gesetzlichen Auflagen an die Schallimmission durch Windkraftanlagen. In Industrieanwendungen kommen Arbeitsschutzrichtlinien zum Tragen. Im Schiffbau ist aus Komfortgründen magnetisch bedingter Körperschall, der sich in der stählernen Schiffsstruktur nahezu ungedämpft ausbreitet, in höchstem Maße unerwünscht.
Eine gängige Konstruktionsweise des Ständers einer elektrischen Maschine beinhaltet ein Blechpaket als elektromechanisch wirksames Ständerbauteil. Dieses ist entweder direkt oder mittels Längsträgern in Zwischenwänden des Gehäuses befestigt. Diese stützen sich entweder direkt, über die Außenwände oder mittels weiterer Konstruktionselemente auf dem Maschinenfuß ab, welcher die Aufstellung der Maschine bzw. des Ständers ermöglicht. Eine primäre Aufgabe des beschriebenen Gehäuses ist es, alle Kräfte (Gewichtskraft, Kräfte aus dem Betriebs- und ggf. Kurzschlussmoment, Schwingungen, etc.), welche vom Blechpaket ausgehen, über Füße auf dem Ständerfundament abzustützen. Weiterhin kommt in einer gängigen Ausführungsform des Maschinengehäuses den Zwischenwänden zusammen mit den Längsträgern die Aufgabe zu, das Blechpaket radial mit einem Druck zu umschließen, so dass das Blechpaket einerseits zentriert wird, und andererseits das Maschinenmoment reibschlüssig zwischen Ständerblechpaket und Maschinengehäuse übertragen werden kann. Dazu wird der Innendurchmesser des Blechpaketsitzes etwas geringer gewählt als der Außendurchmesser des Blechpakets und es entsteht beim Zusammenführen von Blechpaket und Gehäuse eine Schrumpfkraft. Diese Lösung ist sehr effektiv und kostengünstig, da mit einfachen Mitteln beide Ziele – Zentrierung und mechanische Arretierung – erreicht werden.
Wirkungsvoll sind Schallisolations-Maßnahmen in der Regel dann, wenn der Schallfluss an irgend einem geeigneten Element der Übertragungskette unterbrochen wird. Hier bietet sich die Zwischenwand als mögliche Unterbrechungsstelle an, da hier sowohl der Körperschallfluss in die Außenwände, und damit die Schallabstrahlung der elektrischen Maschine, als auch der Körperschallfluss durch die Maschinenfüße in die umgebende Struktur durch eine einzige Maßnahme unterbrochen werden können. Gleichzeitig besteht der Wunsch, den Schrumpfsitz des Blechpakets dennoch aufrecht zu erhalten.
Es sind bereits zahlreiche technische Lösungen zur beschriebenen Problemstellung angemeldet worden. In DE 41 09 814 A1 dient ein nachgiebig gestaltetes, das Blechpaket umhüllendes Rohr als unterbrechendes Element. In DE 28 11 283 A1 , DE 197 47 742 A1 , EP 13 20 173 A2 , EP 22 67 871 A1 werden jeweils spezielle elastische Elemente aus Elastomermaterial beansprucht, welche an den Enden oder Seiten des Blechpakets die Verbindung zum Gehäuse herstellen. Neben der Nachgiebigkeit haben die Elastomer- Elemente den Vorteil, schwingungsdämpfend zu wirken. Diesen Lösungen ist eine gewisse Komplexität der Konstruktion gemein, die zur Verbindung der Elastomerelemente mit Gehäuse und Blechpaket zwingend notwendig ist und beispielsweise Verspannungen und Verschraubungen beinhaltet. Zudem wird die genaue Zentrierung des Blechpakets im Gehäuse durch diese Elemente erschwert. Hinzu kommt die Gefahr von Alterungserscheinungen in den Elastomeren, die durch die Temperaturschwankungen in den elektrischen Maschinen verstärkt werden.
Eine weitere Gruppe von Lösungen: EP 00 87 116 A1 , EP 15 92 110 A2 , US 4,051,399 A , EP 18 35 596 A2 , US 6,628,027 B2 , DE 10 2011 000 858 A1 , beinhalten stahlelastische Balken, die als Zusatzteile zwischen Blechpaket und Gehäuse eingebracht werden und als elastische Elemente dienen.
Die Patente JP 2010-136467 A , US 4,145,626 A und EP 2 383 866 A2 integrieren das elastische Element in bestehende Konstruktionselemente. In ersterem wird ein spezieller Blechpaket-Querschnitt mit außen liegenden Schlitzen verwendet, um Elastizität herzustellen. Im zweiten sind die Längsträger durch Schlitze nachgiebig gestaltet. Im dritten Patent ist die Zwischenwand durch in Umfangsrichtung laufende Schlitze auf Teilen ihres Umfangs elastisch gestaltet. Schon 1938 wurden im deutschen Patent DE 657 790 A elastische Zwischenwände beschrieben, hier jedoch mit dem Ziel, thermische Dehnungen besser kompensieren zu können.
Die Schlitze in EP 2 383 866 A2 lassen die Zwischenwand jedoch so weich werden, dass ein vollständiges mechanisch festes Halten des Blechpakets und der von diesem ausgehenden Kräfte in den entkoppelten Abschnitten nicht oder nur schlecht möglich ist. Vielmehr werden nur einzelne Partien entkoppelt. Zusätzlich kommt ein Tilger zum Einsatz, der die Schwingform des Blechpakets modifiziert, so dass bei der festen Betriebsfrequenz des Motors eine Schwingung, z.B. die R2-Schwingung des Blechpakets, nur in die entkoppelte Richtung wirkt. Damit ist die Entkopplung nur für eine bestimmte Schwingform und nur bei einer festen Betriebsfrequenz wirksam. Im US-Patent US 2,720,600 A werden ebenfalls geschlitzte Zwischenwände als elastisches Element verwendet. Diese Lösung beschränkt sich jedoch auf eine zweipolige elektrische Maschine. Hier ist durch die Gestaltung der Zwischenwand keine Vereinbarkeit mit einem Schrumpfsitz des Blechpakets gegeben. Die Lösung ist außerdem nur gegen eine konkrete Schwingung konzipiert, nämlich gegen das doppelt netzfrequent wirkende Drehfeld im Motor. Die Entkopplung bei den bisher bekannten technischen Lösungen in der angegebenen Problemstellung beruht auf dem Steifigkeitsunterschied zwischen den entkoppelnden Schlitzen und dem umgebenden (steiferen) Gehäuseteil, funktioniert also unterkritisch, was die Relativ-Schwingung zwischen Gehäuse und Blechpaket betrifft. Das Gehäuse bleibt in Ruhe, weil seine Steifigkeit es in seiner Position hält. Genauso verhält es sich auch bei der US 2011/0254390 A1 bzw. der EP 2 378 630 A2 .
Um mit einer steifigkeits-basierten Entkopplung Körperschall abzuschirmen, ist eine starke Verringerung der radialen Steifigkeit der Zwischenwand erforderlich. In der EP 2 378 630 A2 , der US 2011/0254390 A1 und anderen führt das dazu, dass durch Einbringung von Schlitzen die Zwischenwände derart geschwächt werden, dass Kurzschluss- oder Schocklasten nicht mehr übertragen werden können, und Zusatzaufwand zum Abtragen dieser Lasten geleistet werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen in den Leistungsbereichen größer als 200 KW zur Schallreduktion für unterschiedliche Einsatzorte zwischen Ständerblechpaket und zu schaffen. Dieses soll sowohl eine hohe mechanische Festigkeit bei der Übertragung von Betriebs- und Ausnahmelasten wie Schock und Kurzschluss besitzen, als auch die Zentrierung des Blechpakets im Ständer ermöglichen. Es soll konstruktiv einfach, billig in der Herstellung und universell für unterschiedliche mittlere oder große elektrische Maschinen einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Oberbegriffs und des kennzeichnenden Teils des ersten Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Besonders effektiv sind Schallreduktions-Maßnahmen in der Regel dann, wenn der Schallfluss an einem möglichst frühen Element der Übertragungskette unterbrochen wird. Bei den bekannten und im Vortext benannten Lösungen ist es hierbei nötig, in der Übertragungskette ein Element einzubringen, welches eine wesentlich geringere Steifigkeit aufweist als sie durch die übliche, steife Einbauweise des Ständerblechpakets in einer stählernen oder gusseisernen Gehäusekonstruktion erreicht wird.
Im Gegensatz dazu kommt beim hier beanspruchten Gehäuse ein dynamisches System bei der Schwingungsentkopplung zum Einsatz. Hierbei spielt neben der Steifigkeit der Entkopplungselemente auch die außen liegende Masse eine bedeutende Rolle. Aus Steifigkeit und Masse ergibt sich eine Eigenfrequenz. Während bisher bekannte Lösungen die Entkopplung bei Frequenzen unterhalb dieser Eigenfrequenz erzielen, arbeitet die beanspruchte Lösung oberhalb der Eigenfrequenz, also überkritisch. Der Aufbau und die genaue Wirkungsweise werden im Folgenden beschrieben.
Beim erfindungsgemäßen Ständergehäuse 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen für unterschiedliche Einsatzorte im Leistungsbereich größer als 200 KW sind zur Schallreduktion als schwingungsvermindernde Elemente besonders ausgebildete elastische Elemente in den Zwischenwänden 4 des damit verstärkten Ständergehäuse 1 angeordnet. Dabei sind in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuses 1 offene Schlitze 4f auf einem Radius kreisringförmig gleich oder ungleichmäßig verteilt so angeordnet, dass zwischen einem inneren Ring 4a und einem Außenbereich der Zwischenwand 4e eine bestimmte Anzahl gerichteter Stege 4c ausgebildet sind. Diese gerichteten Stege 4c wirken mittels der offenen Schlitze 4f in radialer Richtung als elastische Elemente, d. h. sie wirken schwingungsdämpfend bzw. entkoppelnd, indem diese durch ihre Elastizität die übertragbaren Kräfte begrenzen. In Umfangsrichtung, d.h. tangential oder nahezu tangential betrachtet, übertragen die gerichteten Stege 4c dagegen die aus dem Ständerblechpaket kommenden statischen Momente nach außen auf die äußeren stabileren Teile, d. h. auf den Außenbereich der Zwischenwand 4e des konstruktiv fest ausgebildeten Ständergehäuses 1. Zusätzlich sind die Zwischenwände 4 im Außenbereich der Zwischenwand 4e bewusst, d.h. als Ergebnis zielgerichteter Auslegung, massereicher als bisher ausgeführt, oder in diesem Außenbereich 4e sind verteilt auf den Zwischenwänden 4 Ergänzungsmassen 7 angeordnet. Durch diese neuartige Ausbildung der Kombination von an sich bekannten Schlitzen in den Zwischenwänden und der Anordnung einer zusätzlichen Masse, wahlweise mittels der vorstehend beschriebenen zwei unterschiedlichen Möglichkeiten, entsteht im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten statischen System ein dynamisches System zur Schallisolation. Des Weiteren hat dies den Vorteil, dass dieses dynamische Schallisolationssystem genau für jede einzelne Ausführung solcher elektrischen Maschinen zielgerichtet durch diese Masseerhöhung dimensioniert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung des neuartigen Ständergehäuses 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen sind die gerichteten Stege 4c, welche durch die offenen Schlitze 4f nach innen und außen begrenzt sind, tangential ausgerichtet. Die gerichteten Stege 4c können wahlweise auch alle in eine Richtung ausgerichtet oder symmetrisch zu einer Maschinenachse in zwei Richtungen angeordnet sein. Dadurch entsteht über den gesamten Umfang eine gleichmäßige Ableitung der aus dem Ständerblechpaket kommenden Kräfte und Momente in die äußere Konstruktion des Standergehäuses 1. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Konstruktion des Ständergehäuses 1.
Für andere konstruktive Ausführungen des Ständergehäuses 1 für mittlere und insbesondere für große rotierende elektrische Maschinen können die gerichteten Stege 4c in Umfangsrichtung kreisringförmig verteilt, auch zwei oder mehrere Male die Richtung wechselnd angeordnet sein.
In besonderen Fällen, wo eine achsensymmetrische Konstruktion des Ständergehäuses 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen erforderlich ist, können die gerichteten Stege 4c in Umfangsrichtung kreisringförmig verteilt, symmetrisch zu einer Maschinensenkrechten oder Maschinenwaagerechten ausgebildet sein. Es können auch problemlos weitere Maschineachsen als Symmetrieachsen ausgebildet werden.
In Abhängigkeit von der Auslegung der gesamten mittleren und großen rotierenden elektrischen Maschine können die gerichteten Stege 4c in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuse 1 abwechselnd links- bzw. rechtsherum oder entgegengesetzt ausgebildet werden.
Bevorzugt weisen die offenen Schlitze 4f in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuse 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen eine gleichmäßige Breite auf. Dies hat Vorteile bei der Einbringung der offenen Schlitze 4f in die Zwischenwände 4, wobei neben der Herstellung mittels spanabhebender Formgebung vor allem auch die Einbringung mittels Laserstrahlschneiden anwendbar ist.
Im Prinzip ist es auch aus Elastizitätsgründen, in radialer Richtung betrachtet, von Vorteil, wenn die offenen Schlitze 4f in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuses 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen über ihre Länge betrachtet eine ungleichmäßige Breite aufweisen.
Bevorzugt können auch an den Enden der offenen Schlitze 4f in den Zwischenwänden 4 des Ständergehäuses 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen größere Rundungsradien als die Breite der offenen Schlitze 4f angeordnet werden um die Stärke von dort auftretenden Spannungskonzentrationen zu verringern.
Eine Feinabstimmung bei der Schallreduktion des gesamten Ständergehäuses 1 für mittlere bis große rotierende elektrische Maschinen kann bei Bedarf erfolgen, indem an bzw. über den offenen Schlitzen 4f feste oder verstellbare Kopplungselemente 9 angeordnet sind, so dass eine stellenweise nachinstallierbare, mechanisch feste oder mechanisch verstellbare Überbrückung der offenen Schlitze 4f ausgebildet werden kann.
Eine andere Feinabstimmung bei der Schallreduktion im Ständergehäuse 1 für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen kann durch Anordnung von einem oder mehreren zusätzlichen Dämpfungselementen 10 in einem, in zweien, mehreren oder gegebenenfalls auch in allen offenen Schlitzen 4f erfolgen. Diese zusätzlichen Dämpfungselemente 10 können, wenn die offenen Schlitze 4f nicht zu breit ausgebildet sind, in einfacher Art und Weise durch Einbringung von Schweißbrücken oder entsprechend dimensionierten elastischen Dämpfungselementen 10 eingebracht und angeordnet werden.
Durch diese besondere Ausbildung der elastischen Elemente, wie vorstehend beschrieben, lässt sich der Schall bei Ständergehäusen für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen in den Leistungsbereichen größer als 200 KW erheblich weiter als bisher reduzieren. In Abhängigkeit der sehr unterschiedlichen, möglichen Einsatzorte solcherart elektrischer Maschinen kann mittels dieser schwingungsdämpfenden oder entkoppelnden Elemente in den Zwischenwänden 4 zwischen Ständerblechpaket und Maschinengehäuse auch im Nachhinein, d.h. nach Durchführung von Testläufen der fertigen Maschine, eine weitere Feinabstimmung des Systems erfolgen. Erstmals können mit diesem Ständergehäuse 1 sowohl die Anforderungen an die mechanische Steifigkeit bei der Momenten-Übertragung als auch eine gewünschte Elastizität zur Schallreduktion erfüllt werden. Dieses Ständergehäuse ist konstruktiv einfach, billig in der Herstellung und universell für unterschiedliche mittlere oder große elektrische Maschinen einsetzbar zur Schallreduktion einsetzbar.
Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der acht Figuren näher erläutert werden. Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine große rotierende elektrische Maschine mit Gehäuselagerung, d. h. seitlich oder unten angeordneten Gehäusefüßen 5. Die Lösung ist prinzipiell auch für sogenannte Stehlagermaschinen anwendbar oder jeweils auch für anders gestaltete Gehäusefußanordnungen geeignet.
1 zeigt eine Schrägansicht durch ein aufgeschnittenes Ständergehäuse 1
2 zeigt eine Schnittdarstellung an einer Zwischenwand 4
3 zeigt eine geometrische Verteilung von auftretenden Zugspannungswellen
4 zeigt eine Ableitung der Modellvorstellung zur dynamischen Entkopplung
5 zeigt den Einfluss der Masse m_h auf das Übertragungsverhalten
6 zeigt die Entkopplungswirkung aus einer FE-Simulation
7 zeigt eine Schnittdarstellung mit einem doppelten Ring von sich überlappenden Schlitzen 4f und Ergänzungsmassen 7
8 zeigt eine Schnittdarstellung mit den erfindungsgemäßen Schlitzen 4f mit unterschiedlicher Breite
Die Erfindung zielt darauf ab, den schallisolierenden Effekt elastischer Zwischenwände erheblich zu verbessern, bzw. denselben Isolations-Effekt mit steiferen und somit festeren und unempfindlicheren Zwischenwänden zu erzielen. Das elastische Gestalten von Zwischenwänden ist, wie anhand der Vielzahl von aufgeführten Patenten nachgewiesen wurde, seit Jahrzehnten Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Lösung erzielt jedoch den Effekt der Schwingungsentkopplung über ein dynamisches System, bei dem neben der Steifigkeit der Zwischenwand in Radialrichtung zudem die außen liegende Masse von entscheidender Bedeutung ist und im Auslegungsprozess zielgerichtet dimensioniert wird.
Beim Ständer einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) nach 1 sind die Zwischenwände 4 durch eine spezielle Gestaltung als elastisches Element ausgebildet. Zudem sind im äußeren Bereich der elastischen Zwischenwände zusätzliche Gewichte angebracht oder die vorhandenen Strukturen sind bewusst massereich gestaltet. Gewichte sind dabei effektiver, denn sie steigern die Masse des äußeren Bereichs, ohne für zusätzliche Steifigkeit zu sorgen. veranschaulicht die Konstruktion. Durch Einbringen von Schlitzen 4f in die Zwischenwand wird deren Nachgiebigkeit gezielt beeinflusst. Eine geringe radiale Steifigkeit führt im Zusammenwirken mit den Ergänzungsmassen 7 zu der gewünschten Isolation der Blechpaketschwingungen und somit zur Reduktion des von der Maschine nach außen abgegebenen Luft- und Körperschalls. Die tangentiale Steifigkeit wird dabei möglichst hoch gewählt, um das Drehmoment und Kurzschlussmoment der Maschine gut zu übertragen. Durch die Schlitze 4f entstehen in der Zwischenwand mehrere Bereiche mit verschiedenen Funktionen. Im radial innersten Bereich liegt das Blechpaket 2 direkt oder über die Längsträger 3 an der Zwischenwand 4 an. Dort ist in der Zwischenwand ein Ring 4a ausgebildet. Dieser stellt einen Pressverband zwischen Gehäuse und Blechpaket her und ist entsprechend der jeweils benötigten Presskräfte zu dimensionieren. In der Nähe der Außenhaut 6 des Ständers befindet sich der Bereich 4e der Zwischenwand, der für das Halten der Außenwände 6 und die Übertragung der Kräfte auf die Füße des Ständers verantwortlich ist. Dieser kann mit seiner Masse zur Entkopplungswirkung des beschriebenen Systems beitragen. Zusätzlich wird seine wirksame Masse ggf. durch die angebrachte Ergänzungsmasse 7 erhöht. Er kann aber auch ohne diese Zusatzgewichte, durch entsprechende Wahl seiner Dimensionen, eine ausreichende Masse erhalten. Der Ring 4a und der Außenbereich 4e der Zwischenwand sind durch Stege 4c innerhalb der Zwischenwand verbunden. Durch die Gestaltung der Stege (Länge, Stärke, Verlaufsrichtung) erfolgt die Einstellung der gewünschten Steifigkeit im Gehäuse, wobei neben der Schallisolation die Übertragung der im Ständer entstehenden Kräfte in der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Durch eine tangentiale Ausrichtung der Stege erreicht man eine niedrige radiale Steifigkeit zur Entkopplung der Zugspannungswellen und eine große tangentiale Steifigkeit zur Übertragung der Maschinenmomente. Die beiden Enden 4b, 4d der Stege 4c bilden Übergangsbereiche, die vorteilhafter Weise mit möglichst großen Rundungsradien ausgeführt werden, um die Stärke von dort auftretenden mechanischen Spannungskonzentrationen zu verringern. Der Bereich 4b kann zudem als Verstärkung des Ringes 4a ausgeführt sein und zwar dort wo dieser durch die Längsbalken 3 geschwächt wird.
3 zeigt beispielhaft die Verteilung der Zugspannungswellen, hier wurden eine R0- und eine R6-Anregung als Beispiele gewählt. Je nach Polzahl und Gestaltung der Wicklung treten jedoch auch andere Periodizitäten auf. Gegen diese Anregungen verhält sich der Verbund Blechpaket-Zwischenwand als dynamisches System. Durch die Schlitze und Stege werden Außen- und Innenbereich der Zwischenwand gegeneinander schwingfähig. Unter Berücksichtigung der Steifigkeits- und Massenverhältnisse ergibt sich ein Schwingungssystem. 4 verdeutlicht die gedankliche Abstraktion dieses Systems. Blechpaket 2 und innerer Zwischenwand-Bereich 4a bilden die Masse m_C und besitzen die Steifigkeit K_C. Demgegenüber stehen Zwischen- und Außenwand mit Steifigkeit K_h und Masse m_h. Beide Partien sind über die Kopplungs- Steifigkeit der Stege K_e miteinander verbunden.
So entsteht gedanklich ein Zweimassenschwinger wie in 4 dargestellt. Je nach Anregungs- und Schwingform unterscheiden sich die anzusetzenden Steifigkeiten und Massen. Auch ist die Geometrie der Konstruktion i.d.R. zu komplex um korrekt als Zweimassenschwinger darstellbar zu sein. Bei der realen Auslegung des Systems kommen daher i.d.R. Finite-Elemente-Simulationen zu Einsatz. Zur Erklärung der Funktionsweise wird jedoch auf den Zweimassenschwinger zurückgegriffen. Damit ergibt sich folgende Bewegungsgleichung:
Nun wird beobachtet, dass m_C und K_C sehr groß im Vergleich zu K_E sind. Somit ist der Einfluss der Entkopplungsstege auf die Schwingungen von Blechpaket und innerer Zwischenwand gering. Vernachlässigt man diese geringe Wechselwirkung, so kann deren Schwingung u_C separat als Wirkung der Anregungskraft F_C berechnet werden. Somit berechnet sich die Schwingung der äußeren Zwischenwand bzw. der Außenwand zu: m_hü_h + (K_h + K_E)u_h = K_Eu_c (2)
Der Anregungskraft-Term in Gleichung (2): ist proportional zur Steifigkeit der Entkopplungsstege. Hier setzen die bekannten Lösungen an, indem K_E besonders niedrig gewählt wird um möglichst geringe Anregungskräfte zu erzielen. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Entkopplungselemente das Maschinenmoment, die Blechpaketmasse und ggf. Ausnahmelasten wie Schock und Kurzschlussmoment übertragen müssen und somit nicht beliebig weich gestaltet werden können. Will man den Entkopplungseffekt darüber hinaus verbessern, muss man nach Ansatzpunkten auf der linken Seite der Bewegungsgleichung (2) suchen. Diese beschreibt ein schwingfähiges System mit einer Resonanzfrequenz:
Es ergibt sich bei einem Dämpfungsgrad folgendes Übertragungsverhalten:
5 zeigt das Übertragungsverhalten für ein Beispiel mit k_h = 400 kN/mm, k_e = 100 kN/mm, m_h = 100 kg bzw. 200 kg. Für sehr niedrige Frequenzen ergibt sich eine Reduktion von 14 dB aufgrund der Steifigkeitsverhältnisse. Es schließt sich ein Frequenzbereich der Resonanz an (Resonanzfrequenzen 356 Hz bzw. 252 Hz), in dem es zu Verstärkungserscheinungen von bis zu 20 dB kommt. Danach fällt der Übertragungsfaktor mit wachsender Frequenz stark ab. Oberhalb einer Anregungsfrequenz von 500 Hz ist für m_h = 100 kg eine Entkopplung von 14 Dezibel wieder erreicht, bei m_h = 200 kg ist dies schon bei 350 Hz der Fall. Durch die Erhöhung der Masse von 100 kg auf 200 kg konnte die Entkopplungswirkung um 10 Dezibel gesteigert werden. Oberhalb der Resonanzfrequenz wirkt die Entkopplung somit breitbandig bei allen Anregungsfrequenzen. 6 zeigt die mittels finiten Elementen für ein konkretes Beispiel berechnete Entkopplungswirkung. Es zeigen sich wie beim theoretischen Modell die Effekte der statischen Entkopplung unterhalb der Resonanz bei 300 Hz, eine Resonanzüberhöhung um 5 Dezibel und ein kontinuierliches Abfallen oberhalb der Resonanz. Die Reduktion um bis zu 30 dB, wie sie im idealisierten Schwinger-Modell auftritt, wird nicht erreicht. Dafür sorgen strukturdynamische Effekte, wie z.B. weitere Resonanzen neben der Haupt-Resonanz die vom idealisierten Schwinger abgebildet wird. Die Entkopplungs-Wirkung ist mit bis zu 20 Dezibel jedoch für technische Lösungen sehr relevant.
Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht es, die Schwingungen des Blechpakets, die in Folge der elektromagnetischen Kräfte auftreten, von einer möglichen Übertragung auf das Gehäuse (Körperschall) bzw. einer Abstrahlung an die Außenluft (Luftschall) zu isolieren. So ist es möglich, eine Elektromaschine mit verringerter Körper- und Luftschallemission zu gestalten. Die Isolationswirkung wird durch spezielle Schlitze in den Zwischenwänden 4 und eine Abstimmung der Entkopplungs-Steifigkeit mit der außen liegenden Steifigkeit und Masse erreicht, was im Vergleich zu anderen, bekannten, Lösungen weitere Vorteile bringt. Das elastische Element wird in einem üblicherweise bestehenden Bauteil (der Zwischenwand 4 ausgeführt, so dass die Konstruktion und Fertigung der erfindungsgemäßen Maschine kaum aufwendiger ist als die einer nicht schallisolierten Maschine. Auch ein Anbringen von Massen bzw. ein massiveres Gestalten des Außenbereichs bringt wenig Kosten mit sich. Im Vergleich dazu verursachen Lösungen, die sich spezieller Zusatzteile wie Stahl- oder Elastomerfedern bedienen, einen erhöhten Aufwand in der Konstruktion und Herstellung, nämlich zur Gestaltung, Produktion und Montage sowie ggf. Wartung der zusätzlichen Bauteile. Außerdem verursachen diese Lösungen Zusatzaufwand bei der Zentrierung des Blechpakets im Gehäuse. Die Schlitze 4f hingegen können sehr preisgünstig während des ohnehin nötigen Zuschnitts der Zwischenwand 4, beispielsweise durch Laser-Schneiden, Fräsen, Wasserstrahlschneiden etc. in die Zwischenwand eingebracht werden. Sie sind integraler Bestandteil der Zwischenwand und als solcher wartungsfrei. Eine gängige und effiziente Weise, das Blechpaket im Gehäuse zu befestigen und automatisch zu zentrieren besteht darin, einen Presssitz zwischen Blechpaket und Gehäuse zu realisieren. Durch die genaue Fertigung erfolgt die Zentrierung und zudem können die Betriebskräfte reibschlüssig über den Presssitz übertragen werden. Während viele Bauweisen einer Blechpaket- Entkopplung eine solche Technologie ausschließen, kann der Presssitz in der erfindungsgemäßen Gestaltungsform problemlos ausgeführt werden. Elastomer-Elemente, welche in zahlreichen Entkopplungssystemen verwendet werden, bringen Nachteile mit sich. Hierzu zählen das erhöhte Fehlerrisiko, das von den Elastomer-Materialien ausgeht, die Gefahr der thermischen und kalendarischen Alterung der Materialien mit Verlust der mechanischen Eigenschaften, Setzungserscheinungen sowie die möglicherweise nötigen Kontrollen und Wartungsmaßnahmen an diesen Teilen. All diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Konstruktion vermieden.
Die erfindungsgemäße Gehäusekonstruktion nutzt die Eigenschaft einer geeignet geschlitzten Zwischenwand 4 im Gehäuse aus mit dem Außenbereich 4e samt Außenwand 6 ein dynamisches System zu formen. Dieses entkoppelt Schwingungen des Blechpakets mit steigender Anregungsfrequenz oberhalb einer Resonanzfrequenz in zunehmendem Maße vom Außenbereich und reduziert so die Schall- und Körperschallemission breitbandig. Durch gezielte Auslegung von Masse und Steifigkeit des Außenbereichs mittels finiter Elemente kann das System auf die vorhandenen elektrisch angeregten Blechpaketschwingungen angepasst werden. Damit wird es möglich, unter Erhaltung der Entkopplungswirkung die Stege 4c der Zwischenwand so stark zu belassen, dass die neben der Gewichtskraft des Blechpakets und dem Nennmoment der Maschine auch Sonderlasten wie Kurzschlussmoment und Schock-Lasten übernehmen können. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber beispielsweise der EP 2 378 630 A2 bzw. der US 2011/0254390 A1 . Im Gegensatz zur EP 2 383 866 A2 ist die Entkopplung für eine Vielzahl von radialen Schwingformen des Blechpakets wirksam und kommt zudem ohne ein zusätzliches Tilger-System aus.
Sie ist nicht wie eine Tilger-Lösung auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt und funktioniert daher auch für Maschinen mit variabler Betriebsdrehzahl und für eine Vielzahl verschiedener Anregungen.
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten bzw. Ausformungen sind beispielsweise:

– Zwischenwand mit Entkopplungsstegen 4c, die in Umfangsrichtung alle in die gleiche Richtung zeigen oder wie in 1 durch spiegelsymmetrische Gestaltung der Zwischenwand im Bereich der Entkopplung eine Umkehrlinie aufweisen.
– Zwischenwand mit Entkopplungsstegen 4c so dass die Stege abwechselnd in Umfangsrichtung links- bzw. rechtsherum gerichtet sind (2).
– Zwischenwand mit Entkopplungsschnitten 4f, bei der die Schlitze eine gleichmäßige Breite aufweisen und somit in einem Zug gefräst werden können (2).
– Zwischenwand mit Entkopplungsschnitten 4f, bei der die Schlitze eine ungleichmäßige Breite aufweisen. Dadurch kann mit schmalen Schlitzen Platz gespart werden. Gleichzeitig können die Rundungsradien an den Schlitzenden groß gewählt werden (8).
– Zwischenwand, bei der der Ring 4a und der Außenbereich 4e ausschließlich durch die Stege verbunden sind.
– Zwischenwand, bei der der Ring 4a und der Außenbereich 4e in einigen Bereichen vollständig zusammenhängen (8).
– Zwischenwand mit Entkopplungsstegen 4c bei der die Schlitze 4f so geformt sind, dass Kopplungselemente 9 eingebracht werden können, die die Entkopplung ganz oder teilweise überbrücken, oder aber die durch gezielte, nachträglich eingebrachte, Aussparungen weicher gemacht werden können. So kann eine Abstimmung bzw. Sicherung des Systems erfolgen (7)
– Zwischenwand mit Entkopplungsstegen 4c bei der Dämpfungselemente 10, siehe (7) parallel zur Entkopplungssteifigkeit geschalten werden.
– Zwischenwand wie zuvor, bei der die Abstimmung der Masse m_h nicht über zusätzliche Masse-Elemente, sondern über die Auslegung bereits vorhandener Bauteile eingebracht wird. Dies können starke Außen- 6 oder Zwischenwände 4 sein. Im Falle der Körperschallisolation ist auch ein schwerer Maschinenfuß 5(8) eine Möglichkeit, da hier der Schallfluss nur in Richtung Fuß unterbrochen werden muss.

Bezugszeichenliste

1: Ständergehäuse
2: Ständerblechpaket
3: Längsträger
4: Zwischenwände
4a: Innerer Ring, Pressring
4b: Übergang vom Ring zum Steg
4c: Steg
4d: Übergang vom Steg zum Außenbereich
4e: Außenbereich der Zwischenwand
4f: offene Schlitze
5: Gehäusefuß
6: Gehäuseaußenwand
7: Ergänzungsmasse
8a: Maschinenachse, Maschinensenkrechte
8b: Maschinenachse, Maschinenwaagerechte
9: Kopplungselement
10: Dämpfungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4109814 A1 [0006]
DE 2811283 A1 [0006]
DE 19747742 A1 [0006]
EP 1320173 A2 [0006]
EP 2267871 A1 [0006]
EP 0087116 A1 [0007]
EP 1592110 A2 [0007]
US 4051399 A [0007]
EP 1835596 A2 [0007]
US 6628027 B2 [0007]
DE 102011000858 A1 [0007]
JP 2010-136467 A [0008]
US 4145626 A [0008]
EP 2383866 A2 [0008, 0009, 0043]
DE 657790 A [0008]
US 2720600 A [0009]
US 2011/0254390 A1 [0009, 0010, 0043]
EP 2378630 A2 [0009, 0010, 0043]

Claims

Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen zur Schallreduktion für unterschiedliche Einsatzorte mittels schwingungsvermindernder Elemente im einem durch Zwischenwände (4) verstärkten Ständergehäuse (1), dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenwänden (4) des Ständergehäuses (2) offene Schlitze (4f) auf einem Radius kreisringförmig gleich oder ungleichmäßig verteilt so angeordnet sind, dass zwischen einem inneren Ring (4a) und einem Außenbereich der Zwischenwand (4e) eine bestimmte Anzahl gerichteter Stege (4c) ausgebildet sind und dass zum Erreichen der notwendigen Entkopplungs-Gegenmasse die Zwischenwände (4) im Außenbereich der Zwischenwand (4e) bzw. die Außenwand (6) selbst materialmäßig verstärkt sind oder in diesem Außenbereich verteilt auf den Zwischenwänden (4) Ergänzungsmassen (7) angeordnet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichteten Stege (4c) tangential ausgerichtet angeordnet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichteten Stege (4c) alle in eine Richtung ausgerichtet oder symmetrisch zu einer Maschinenachse (8A, 8b) in zwei Richtungen angeordnet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichteten Stege (4c) in Umfangsrichtung kreisringförmig verteilt zwei oder mehrere Male die Richtung wechselnd angeordnet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichteten Stege (4c) in Umfangsrichtung kreisringförmig verteilt symmetrisch zu einer Maschinensenkrechten (8a) oder Maschinenwaagerechten (8b) ausgebildet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichteten Stege (4c) abwechselnd links- bzw. rechtsherum oder entgegengesetzt ausgebildet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Schlitze (4f) eine gleichmäßige Breite aufweisen.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Schlitze (4f) eine ungleichmäßige Breite aufweisen.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der offenen Schlitze (4f) größere Rundungsradien als die Breite der offenen Schlitze (4f) angeordnet sind.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den offenen Schlitzen (4f) feste oder verstellbare Kopplungselemente (9) angeordnet sind, so dass eine stellenweise nachinstallierbare, mechanisch feste oder mechanisch verstellbare Überbrückung der offenen Schlitze (4f) ausgebildet ist.
Ständergehäuse für mittlere und große rotierende elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem, zwei, mehreren oder allen offenen Schlitzen (4f) ein oder mehrere zusätzliche Dämpfungselemente (10) angeordnet sind.