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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine läufergespeiste Schleifringläufermaschine, wie sie für drehzahlregelbare Wasserkraft-Motor-Generatoren für Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz kommen.
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Die
JP 2014 - 236 618 A offenbart einen Rotorkörper mit axial verlaufenden Nuten und einer doppellagigen Wicklung mit einer Unterlage und einer Oberlage. Die Verbindungselemente verbinden jeweils ein Ende eines Wicklungselementes der Oberlage mit einem Ende eines Wicklungselementes der Unterlage.
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Die
DE 10 2006 038 582 A1 offenbart einen Rotor mit einer besonderen Ausbildung der Verbindungselemente der Wicklungselemente. Dadurch können die Wicklungselemente ineinander verschränkt werden.
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Die
DE 10 2013 223 054 A1 offenbart einen Rotor, bei dem die Wicklungselemente über die Stirnseiten des Rotorkörpers hinaus stehen. Die Wicklungselemente verbindenden Kurzschlussringe sind in Umfangsrichtung relativ zueinander versetzt angeordnet. Die Zähne eines ersten Kurzschlussrings kontaktieren dabei Wicklungselemente einer ersten Untergruppe der Wicklungselemente, die Zähne eines zweiten Kurzschlussrings kontaktieren hierzu benachbarte Wicklungselemente einer anderen Untergruppe und die Zähne eines dritten Kurzschlussrings stehen in Kontakt mit den restlichen Wicklungselementen. Durch diese Verschaltung bilden die Wicklungselemente eine Drehstromwicklung.
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Die
DE 10 2010 020 415 A1 , aus welcher die Merkmale des Oberbegriffs bekannt sind, offenbart einen Rotor, welcher für einen drehzahlregelbaren Wasserkraft-Motor-Generator geeignet ist. Der in dieser Schrift offenbarte Rotor umfasst Wicklungselemente, welche in axial verlaufenden Nuten eines Rotorkörpers angeordnet sind, einen Wickelkopf, welcher axial neben dem Rotorkörper angeordnet ist, wobei in dem Bereich des Wickelkopfes die Wicklungselemente in axialer Richtung aus den Nuten austreten, dann in einem Winkel zur axialen Richtung verlaufen und dann im Bereich ihrer axialen Enden wieder in axialer Richtung verlaufen und mit weiteren Wicklungselementen verbunden sind, und einen Wickelkopfträger, welcher radial innerhalb des Wickelkopfs angeordnet ist, wobei der Wickelkopf über Zugbolzen, mit dem Wickelkopfträger verbunden ist. Wie aus der
3 der genannten Schrift hervorgeht ist der Bauraum, der für die Befestigung der Wicklungselemente zur Verfügung steht, durch die schräge Führung der Wicklungselemente im Bereich des Wickelkopfes sehr eingeschränkt, so dass die Zugbolzen in diesem Bereich den Wickelkopf nicht durchdringen können.
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Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, dessen Wickelkopf mehr Bauraum für die Befestigung aufweist.
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Die gestellte Aufgabe wird durch einen Rotor für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
- 1 Erfindungsgemäßer Rotor in einem Schnitt senkrecht zur Achse;
- 2 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer ersten Ansicht;
- 3 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer zweiten Ansicht;
- 4 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer dritten Ansicht;
- 5 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer vierten Ansicht;
- 6 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer fünften Ansicht;
- 7 Erfindungsgemäße Rotorwicklung in einer ersten Ansicht;
- 8 Erfindungsgemäße Rotorwicklung in einer zweiten Ansicht;
- 9 Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in einer weiteren Ansicht;
- 10 Befestigung eines erfindungsgemäßen Wickelkopfes;
- 11 Befestigung eines erfindungsgemäßen Wickelkopfes in einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt in sehr schematischer Darstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors in einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse. Der Rotor umfasst einen Rotorkörper, welcher mit 1 bezeichnet ist. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Wicklungselementen, von denen nur zwei dargestellt und mit 2 bzw. 3 bezeichnet sind. Die Wicklungselemente 2 und 3 sind in axial verlaufenden Nuten des Rotorkörpers angeordnet, wobei in einer Nut jeweils zwei Wicklungselemente angeordnet sind, wobei jeweils ein Wicklungselement näher an der Achse angeordnet ist, als das andere in derselben Nut angeordnete Wicklungselement. Daher ist die Wicklung des Rotors als zweilagige Wicklung mit Ober- und Unterlage ausgeführt. In 1 gehört das Wicklungselement 2 zur Oberlage und das Wicklungselement 3 zur Unterlage. 1 zeigt ferner eine erste und eine zweite Zylindermantelfläche, wobei die erste Zylindermantelfläche mit 4 bezeichnet ist, und die zweite Zylindermantelfläche mit 5 bezeichnet ist. Die Zylindermantelflächen 4 und 5 sind konzentrisch zur Rotorachse angeordnet, wobei die Zylindermantelfläche 4 die Innenseiten der Wicklungselemente der Unterlage berührt und die Zylindermantelfläche 5 die Außenseiten der Wicklungselemente der Oberlage berührt.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass die meisten Wicklungselemente an beiden axialen Enden des Rotors mit anderen Wicklungselementen verbunden werden müssen, um eine Drehstromwicklung zu bilden. Dabei bilden die aus den Nuten herausragenden Enden der Wicklungselemente zusammen mit den zur Verbindung benötigen Elementen die beiden Wickelköpfe. Bei Wicklungen mit Spulen gleicher Weite werden dabei jeweils Wicklungselemente miteinander verbunden, deren tangentialer Abstand genau der Polteilung entspricht, wobei jeweils Wicklungselemente aus verschiedenen Lagen miteinander verbunden werden. Bei herkömmlichen Rotoren werden dazu die aus Nuten austretenden Enden der Wicklungselemente soweit schräg zur Rotorachse gebogen, dass die zu verbindenden Enden einander in radialer Richtung gegenüberliegen.
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Bei der von den Erfindern vorgeschlagenen Lösung hingegen verlaufen die Wicklungselemente auf ihrer ganzen Länge in axialer Richtung. Wie dabei die Verbindung der Wicklungselemente zustande kommt, wird anhand der 2 bis 4 erläutert.
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2 zeigt einige wenige Wicklungs- und Verbindungselemente eines erfindungsgemäßen Rotors in dreidimensionaler Darstellung in einer Ansicht senkrecht zur Rotorachse. Eines der dargestellten Wicklungselemente ist mit 12 und ein weiteres mit 13 bezeichnet. Eines der dargestellten Verbindungselemente ist mit 14 bezeichnet. Das Verbindungelement 14 verbindet die Enden Wicklungselemente 12 und 13 elektrisch. Aus der Ansicht von 2 geht hervor, dass die Wicklungselemente unterschiedlich weit über den Rotorkörper (nicht dargestellt) hinausragen. Die Verbindungselemente verlaufen auf dem größten Teil Ihrer Länge senkrecht zur Rotorachse.
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3 zeigt dieselbe Anordnung von Wicklungs- und Verbindungselementen wie 2 jedoch in einer Ansicht parallel zur Rotorachse. Die Bezeichnungen entsprechen 2. Zusätzlich ist jedoch noch ein weiteres Verbindungselement mit 24 bezeichnet. Das Wicklungselement 12 ist in dieser Darstellung verdeck. Es handelt sich um ein Wicklungselement der Oberlage, während das Wicklungselement 13 in der Unterlage angeordnet ist. Aus 3 geht hervor, dass das Verbindungselement 24 über einen Großteil seiner Länge innerhalb der ersten Zylindermantelfläche 4 aus 1 verläuft, und dass das Verbindungselement 14 über einen Großteil seiner Länge außerhalb der zweiten Zylindermantelfläche 5 aus 1 verläuft. Bei einem erfindungsgemäßen Rotor verlaufen in etwa die Hälfte der Verbindungselemente wie das Verbindungselement 14 und etwa die Hälfte der Verbindungselemente wie das Verbindungselement 24.
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Aus den 2 bis 4 gehen noch folgende weitere Merkmale der Verbindungselemente hervor: Die außen verlaufenden Verbindungselemente verlaufen ausgehend vom Wicklungselement der Oberlage ein kurzes Stück in tangentialer Richtung, anschließend ein kurzes Stück in axialer Richtung weg vom Rotorkörper, anschließend ein Stück radial nach außen, dann über den größten Teil ihrer Länge in tangentialer Richtung und schließlich radial nach innen. Die innen verlaufenden Verbindungselemente verlaufen ausgehend vom Wicklungselement der Oberlage ein kurzes Stück in etwa tangential, dann schräg-radial nach innen, dann über den größten Teil ihrer Länge tangential und schließlich radial nach außen. Diese Merkmale sind jedoch spezifisch für die dargestellte Ausführungsform und der Fachmann kann instruiert durch den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung unschwer weitere Ausführungsformen finden, die die in diesem Abschnitt beschriebenen Merkmale nicht oder nur einige derselben aufweisen.
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5 zeigt die beiden Typen von Verbindungselementen in axialer Ansicht. Aus 5 geht hervor, dass die beiden Typen in zwei gespiegelten Varianten auftreten können. 6 zeigt dieselbe Anordnung wie 5 jedoch in schrägaxialer Ansicht. Daraus geht hervor, dass die gespiegelten Varianten zu unterschiedlichen Enden des Rotors gehören.
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7 zeigt die gesamte Rotorwicklung in einer Ansicht senkrecht zur Rotorachse. Daraus geht die in axialer Richtung gestaffelte Lage der Verbindungselemente hervor.
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8 zeigt die gesamte Rotorwicklung in einer Ansicht parallel zur Rotorachse.
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9 zeigt einen Teil der Rotorwicklung in einer leicht schrägen Ansicht. Aus dem mittleren Teil der Figur geht hervor, dass alle Wicklungselemente dieselbe Länge haben. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Wicklungselement, das auf der einen Seite des Rotors weit übersteht, auf der anderen Seite des Rotors entsprechend weniger weit übersteht. Dies ist von Vorteil, da so die Wicklungselemente leichter gefertigt werden können. Es sind jedoch prinzipiell Ausführungsformen denkbar, bei denen unterschiedliche lange Wicklungselemente verwendet werden.
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Dadurch dass die erfindungsgemäße Anordnung ohne schräg zur Rotorachse verlaufende Wicklungselemente auskommt, ergibt sich im Bereich des Wickelkopfes mehr Raum für Befestigungselemente. Als Befestigungselemente kommen die aus dem Stand der Technik bekannten Zugbolzen in Frage. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können solche Zugbolzen von beträchtlicher Stärke den Wickelkopf an sehr vielen Stellen durchdringen. Als bevorzugter Ort kommt dabei der Raum in Frage, der sich in axialer Richtung zwischen den Verbindungselementen erstreckt.
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10 zeigt eine Möglichkeit zur Befestigung eines erfindungsgemäßen Wickelkopfes in stark schematischer Form. 10 zeigt eine Anzahl von Verbindungselemente in einer Ansicht senkrecht zur Rotorachse, von denen eines mit 14 bezeichnet ist. Im axialen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Verbindungselementen durchdringen Zugbolzen den Wickelkopf in radialer Richtung. Einer der Zugbolzen ist mit 30 bezeichnet. Die Zugbolzen sind wie aus dem Stand der Technik bekannt mit dem Rotorkörper verbunden. Jeder Zugbolzen 30 stützt sich dabei mit einem Stützkörper an jeweils zwei benachbarten Verbindungselementen ab. Einer der Stützkörper ist mit 31 bezeichnet.
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Eine andere alternative Befestigungsmöglichkeit sieht vor, dass die Verbindungselemente massiv ausgeführt sind, d.h. also nicht als Röbel-Stab. Die Verbindungselemente weisen Bohrungen auf, durch die isolierte radial verlaufende Zugbolzen führen, welche mit dem Rotorkörper verbunden sind. 11 zeigt in schematischer Weise und axialer Ansicht eine solche Anordnung. Dabei sind der Rotorkörper mit 1, ein erstes außen verlaufendes Verbindungselement mit 14, ein zweites innen verlaufendes Verbindungselement mit 24 und ein Zugbolzen mit 30 bezeichnet. Außerdem sind Distanzhülsen vorgesehen, von denen pro Zugbolzen 30 eine erste zwischen dem äußerem Verbindungselement 14 und dem inneren Verbindungselement 24 und eine zweite zwischen dem inneren Verbindungselement 24 und dem Rotorkörper 1 angeordnet sind. Ein der Distanzhülsen ist mit 32 bezeichnet. Der Zugbolzen 30 verläuft innerhalb der Distanzhülsen und durchdringt die beiden Verbindungselemente 14 und 24. Der Zugbolzen 30 kann auch mit einer Profilschiene verbunden sein, welche sich in einer axial verlaufenden Nut des Rotorkörpers 1 befindet.
