DE102019008251A1

DE102019008251A1 - Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine

Info

Publication number: DE102019008251A1
Application number: DE102019008251.6A
Authority: DE
Inventors: Haran Chandra Karmaker; Edward Kuan-Chen Chen; James Arnold Keck; Paulo Guedes-Pinto
Original assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Current assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN111355312A; CN111355312B; US20200204022A1; US11258322B2

Abstract

In einer Ausführungsform beinhaltet eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine: einen Stator, der aus einer ersten Vielzahl von Blechen mit einer Dicke von weniger als etwa 0,254 mm (0,01 Zoll) und einer Wicklung gebildet ist, die eine Spule aus Litzendraht umfasst, die an den Stator angepasst ist; und einen Rotor, der innerhalb des Stators angepasst ist. Der Rotor kann Folgendes beinhalten: einen Rotorkern, der aus einer zweiten Vielzahl von Blechen mit einer zweiten Dicke von mehr als etwa 2,54 mm (0,10 Zoll) gebildet und aus hochfestem Stahl gebildet und zwischen einem ersten Endbereich, der mindestens ein erstes periphere Sekundärblech aufweist, und einem zweiten Endbereich, der mindestens ein zweites periphere Sekundärblech aufweist, sandwichartig angeordnet ist, wobei der erste Endbereich einen ersten Endring aufweist, der von einem ersten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Endring aufweist, der von einem zweiten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird.

Description

Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter dem Förderkennzeichen DE-EE0007254 des Energieministeriums gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
Hintergrund
Eine Induktionsmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Induktionsmaschinen arbeiten so, dass ein elektrischer Strom im Rotor durch elektromagnetische Induktion über ein Magnetfeld einer Statorwicklung gewonnen wird. Induktionsmaschinen werden in vielen verschiedenen Arten von Anwendungen eingesetzt, darunter auch in vielen industriellen Anwendungen. Während herkömmliche Induktionsmaschinen bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten, wie sie für viele Anlagen typisch sind, z.B. bei einer Frequenz von 60 Hertz (Hz), adäquat arbeiten können, kann es viele technische Herausforderungen geben, einschließlich mechanischer Belastungen und elektromagnetischer Belastungen und Verluste, wenn die Maschinen mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten sollen. Diese Herausforderungen nehmen mit zunehmender gewünschter Betriebsgeschwindigkeit zu. Derzeitige Bemühungen haben bislang nicht alle Probleme gelöst.
Kurzfassung der Erfindung
In einem Aspekt beinhaltet eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine: einen Stator, der aus einer ersten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der ersten Vielzahl von Blechen eine Dicke von weniger als etwa 0,254 mm (0,01 Zoll) aufweist, wobei der Stator eine Wicklung aufweist, die eine Spule aus Litzendraht (engl. Litz wire) umfasst, die an den Stator angepasst ist; und einen Rotor, der innerhalb des Stators angepasst ist. In einer Ausführungsform beinhaltet der Rotor: einen Rotorkern, der aus einer zweiten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jedes der zweiten Vielzahl von Blechen eine zweite Dicke von mehr als etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, wobei die zweite Vielzahl von Blechen aus hochfestem Stahl (engl. high strenght steel) gebildet und zwischen einem ersten Endbereich mit mindestens einem ersten peripheren Sekundärblech und einem zweiten Endbereich mit mindestens einem zweiten peripheren Sekundärblech sandwichartig angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten peripheren Sekundärbleche eine dritte Dicke aufweisen, wobei die dritte Dicke größer als die zweite Dicke ist, wobei der erste Endbereich einen ersten Endring aufweist, der von einem ersten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Endring aufweist, der von einem zweiten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird.
In einer Ausführungsform kann der Stator einen einzelnen radialen Lüftungskanal beinhalten, der an einem wesentlichen axialen Mittelpunkt des Stators angepasst ist. Und die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine kann über eine Umkehrlüftung gekühlt werden, die über den einzelnen radialen Lüftungskanal aufgenommen wird. Die Umkehrlüftung kann von der wesentlichen axialen Mitte des Stators zu einem ersten axialen peripheren Abschnitt des Stators und einem zweiten axialen peripheren Abschnitt des Stators zirkulieren.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Stator eine im Wesentlichen zylindrische, kanallose Konfiguration aufweisen. Und, die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine kann über einen Kühlluftstrom gekühlt werden, der an einem ersten axialen peripheren Abschnitt des Stators aufgenommen wird und an einem zweiten axialen peripheren Abschnitt des Stators aus dem Stator austritt.
In einem Beispiel umfasst der Stator eine Vielzahl von axialen Schlitzen, die jeweils durch ein Paar von einer Vielzahl von inneren radialen Statorzähnen gebildet sind, wobei jeder der Vielzahl von axialen Schlitzen einen ersten Spulenabschnitt der Wicklung und einen zweiten Spulenabschnitt der Wicklung aufnehmen und mindestens einen axialen Kanal zum Kühlluftstrom bereitstellen soll. Der mindestens eine axiale Kanal kann im Wesentlichen an einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor angrenzen. Der erste Spulenabschnitt kann von dem zweiten Spulenabschnitt über einen nichtmagnetischen Abstandshalter getrennt werden, um einen ersten axialen Kanal für den Kühlluftstrom bereitzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst der Rotorkern eine im Wesentlichen zylindrische, kanallose Konfiguration. Eine Oberfläche des Rotorkerns kann mit einer gerillten Oberfläche ausgebildet werden, um Verluste zu reduzieren. Diese gerillte Oberfläche kann eine Vielzahl von einzelnen Umfangsrillen beinhalten, die um einen Umfang des Rotorkerns angepasst sind.
In einer Ausführungsform umfasst der Rotorkern ferner eine Vielzahl von Rotorstäben, die innerhalb einer entsprechenden Vielzahl von Schlitzen des Rotorkerns angepasst sind, wobei jeder der Vielzahl von Schlitzen eine Schlitzöffnung zu einer radialen Außenseite des Rotorkerns umfasst, wobei die Schlitzöffnung eine Breite aufweist, die wesentlich schmaler als die Breite eines entsprechenden Rotorstabs ist, um einen Spannungsabbau gegen Umfangsspannung zu bewirken und den Streufluss zu minimieren.
In einem weiteren Aspekt beinhaltet eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine einen Rahmen, einen Stator und einen Rotor. Der Rahmen kann einen ersten Kanal zur Aufnahme eines Kühlluftstroms, einen zweiten Kanal zur Aufnahme eines ersten Abluftstroms und einen dritten Kanal zur Aufnahme eines zweiten Abluftstroms aufweisen. Der Stator kann innerhalb des Rahmens angepasst und aus einem ersten axialen Abschnitt mit einer ersten Vielzahl von Blechen und einem zweiten axialen Abschnitt mit einer zweiten Vielzahl von Blechen gebildet werden, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Blechen eine Dicke von weniger als etwa 0,254 mm (0,01 Zoll) aufweist. In axialer Richtung umfasst der Stator einen einzelnen radialen Lüftungskanal, der zwischen dem ersten axialen Abschnitt und dem zweiten axialen Abschnitt angepasst ist, wobei der einzelne radiale Lüftungskanal eine Vielzahl von Lamellen aufweist, um den über den ersten Kanal aufgenommenen Kühlluftstrom radial nach innen zu lenken. Der Kühlluftstrom kann durch den ersten axialen Abschnitt geleitet und als erster Abluftstrom durch den zweiten Kanal und durch den zweiten axialen Abschnitt und als zweiter Abluftstrom durch den dritten Kanal abgegeben werden. Der Stator kann auch eine Vielzahl von inneren Radialzähnen und eine Vielzahl von inneren Axialschlitzen beinhalten, die zwischen Paaren von der Vielzahl von inneren Radialzähnen gebildet sind, wobei jeder der Vielzahl von inneren Axialschlitzen einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt einer oder mehrerer Spulen aufnehmen soll, die um den Stator herum angepasst sind, und einen ersten Luftkanal bereitstellen, der zwischen dem ersten Spulenabschnitt und dem zweiten Spulenabschnitt angepasst ist, und einen zweiten Luftkanal, der zwischen dem zweiten Spulenabschnitt und einem Innendurchmesser der entsprechenden inneren Radialzähne angepasst ist, wobei der Kühlluftstrom durch den ersten Luftkanal und den zweiten Luftkanal fließen soll. Der Rotor ist innerhalb des Stators angepasst und beinhaltet einen Rotorkern, der aus einer dritten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der dritten Vielzahl von Blechen eine zweite Dicke von mehr als etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, wobei die dritte Vielzahl von Blechen aus hochfestem Stahl gebildet und zwischen einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich sandwichartig angeordnet ist und mindestens ein erstes peripheres Blech und mindestens ein zweites peripheres Blech mit einer dritten Dicke, wobei die dritte Dicke größer als die zweite Dicke ist, wobei der erste Endbereich einen ersten Endring aufweist, der durch einen um ihn herum angepassten ersten Haltering gehalten wird, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Endring aufweist, der durch einen um ihn herum angepassten zweiten Haltering gehalten wird.
In einer Ausführungsform ist der einzelne radiale Lüftungskanal an einem wesentlichen axialen Mittelpunkt des Stators angepasst. Und die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine kann über eine Umkehrlüftung gekühlt werden, die axial nach außen von der wesentlichen axialen Mitte des Stators zirkuliert.
In einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren: Bilden eines Stapels innerhalb einer Fertigungsvorrichtung, der einen Rotorkern für eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine umfasst, wobei der Stapel einen ersten Haltering, einen ersten Widerstandsring, der axial und radial durch den ersten Haltering begrenzt wird, eine erste periphere Platte mit einer ersten Dicke, eine Vielzahl von Innenplatten mit einer zweiten Dicke, die kleiner als die erste Dicke ist, wobei die zweite Dicke mindestens etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) ist, eine zweite periphere Platte mit der ersten Dicke, einen zweiten Widerstandsring und einen zweiten Haltering, um den zweiten Widerstandsring axial und radial zu begrenzen; Einsetzen einer Vielzahl von Stapelbolzen durch die Fertigungsvorrichtung und außerhalb des Stapels und Verriegeln der Vielzahl von Stapelbolzen an der Fertigungsvorrichtung; Erwärmen des Stapels auf mindestens eine erste Temperatur, sodass der Stapel einen laminierten Rotorkern bildet; Kühlen einer Drehwelle auf mindestens eine zweite Temperatur, wobei die zweite Temperatur wesentlich niedriger als die erste Temperatur ist; und Anbringen der Drehwelle an den laminierten Rotorkern mit einer dazwischen liegenden Presspassung.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Bilden mindestens einer Umfangsnut an einem Außenumfang des laminierten Rotorkerns. Das Verfahren kann auch beinhalten: nach dem Erwärmen des Stapels auf mindestens die erste Temperatur, Anpassen einer ersten Hülse um einen Innenumfang des laminierten Rotorkerns; Installieren der Drehwelle an den laminierten Rotorkern mit der ersten Hülse, die dazwischen angepasst ist; und Fertigbearbeiten von Merkmalen der Drehwelle in Bezug auf eine Endposition des laminierten Rotorkerns in Bezug auf die Drehwelle.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren auch beinhalten: Anpassen einer zweiten Hülse um einen Innenumfang der ersten Hülse; und Installieren der Drehwelle an dem laminierten Rotorkern mit der ersten Hülse und der zweiten Hülse, die dazwischen angepasst sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner beinhalten: Fertigen einer Vielzahl von miteinander verbundenen Längsnuten auf der Drehwelle, um als Hochdruck-Hydraulikfluidleitungen zu dienen; Installieren der Drehwelle an dem laminierten Rotorkern mit der dazwischen angepassten ersten Hülse; und Aufbringen eines Hochdruck-Hydraulikfluids zwischen der Drehwelle und der ersten Hülse, um die erste Hülse und den laminierten Rotorkern zu dehnen, während eine Kraft aufgebracht wird, um den laminierten Rotorkern auf der Drehwelle zu positionieren. Das Verfahren kann auch Folgendes beinhalten: Fertigen eines konischen Gewindes um eine Innenbohrung des laminierten Rotorkerns; Fertigen eines konischen Gewindes auf einer Umfangsfläche der Drehwelle; Anziehen des laminierten Rotorkerns auf die Drehwelle auf ein ausgewähltes Eingriffsniveau; und Fertigbearbeiten von Merkmalen der Drehwelle in Bezug auf eine Endposition des laminierten Rotorkerns in Bezug auf die Drehwelle.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer Ausführungsform.
3 ist eine Darstellung eines Rotors gemäß einer Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine Darstellung einer Fertigungsumgebung gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine Darstellung einer Rotor- und Wellenanordnung gemäß einer Ausführungsform.
7A-7B sind Darstellungen eines Verfahrens zur Montage einer Welle auf einem Rotor gemäß einer anderen Ausführungsform.
8 ist eine Darstellung einer Rotor- und Welleninstallation gemäß einer weiteren Ausführungsform.
9 ist eine Darstellung einer Rotor- und Wellenanlage gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
10A ist eine Schnittansicht einer Umgebung einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschinen gemäß einer Ausführungsform.
10B ist eine seitliche Schnittansicht der Umgebung aus 10A gemäß einer Ausführungsform.
11A ist eine Schnittansicht einer Umgebung einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschinen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
11B ist eine seitliche Schnittansicht der Umgebung aus 11A gemäß einer Ausführungsform.

Detailierte Beschreibung
In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine mit einer Vielzahl von Rotor- und Statormerkmalen vorgesehen, die einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglichen und gleichzeitig mechanische Stabilität, reduzierte elektrische Verluste usw. gewährleisten. Darüber hinaus sehen Ausführungsformen Installationstechniken vor, um einen Rotor zu bilden und einen Rotorkern auf einer Drehwelle zu installieren, der die mechanische Integrität gewährleistet, während die Herstellung erleichtert und die Notwendigkeit der Verwendung von Stapelbolzen, wie in einer konventionellen Fertigung, vermieden wird, was sich negativ auf die mechanische Stabilität auswirken kann, da Durchgangsbohrungen entlang einer axialen Länge eines Rotorkerns gebildet werden müssen.
Es ist zu verstehen, dass eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine, wie hierin beschrieben, in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann, einschließlich Motor- und Generatoranwendungen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „Hochgeschwindigkeit“ in Bezug auf Induktionsmaschinen verwendet, um eine Maschine mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 150 Metern pro Sekunde zu beschreiben. Bei einem Rotor, der auf etwa 0,254 m (10 Zoll) ausgelegt ist, entspricht diese Umfangsgeschwindigkeit einer Drehzahl in Umdrehungen pro Minute von mindestens 11270 U/min.
Eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine, wie hierin beschrieben, kann in einem gegebenen System zusammen mit einem Antriebssystem oder einem anderen Stromrichter, der im Megawattbereich betrieben werden kann, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann dieser Stromrichter, der als modularer Stromrichter implementiert werden kann, aufgrund des Hochgeschwindigkeitscharakters der Maschine in Ausführungsformen auch Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte beinhalten, z.B. basierend auf der Siliziumkarbid-(SiC)-Technologie. Kombinationen aus einem Megawatt-basierten modularen Stromrichter und einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine können in vielen verschiedenen Anwendungen und zum Einbau in Systeme verwendet werden, die zwischen einem Versorgungsnetz und einer oder mehreren elektrischen oder mechanischen Lasten und/oder Quellen gekoppelt sind.
In Bezug auf 1 ist eine Darstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 1 dargestellt, besteht der Stator 100 aus einem Statorpaket 110, das wiederum aus einer Vielzahl von Lamellen besteht. In Ausführungsformen hierin können diese Bleche ultradünne Statorkernbleche sein, um Verluste zu reduzieren. In einer bestimmten Ausführungsform können diese ultradünnen Blechen eine Dicke zwischen etwa 0,127 und 0,254 mm (0,005 und 0,010 Zoll) aufweisen, und in einer bestimmten Ausführungsform können die ultradünnen Blechen eine Dicke von etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) aufweisen. Im Gegensatz dazu haben Induktionsmaschinen mit niedrigerer Drehzahl typische Statorbleche mit einer Dicke von etwa 0,508 mm (0,02 Zoll). Obwohl die Ausführungsformen variieren können, können in einer Ausführungsform die ultradünnen Lamellen aus kaltgewalztem, vollständig verarbeitetem, nicht orientiertem Elektrostahl mit sehr geringen elektrischen Verlusten, etwa 12 W/kg bei 400 Hz 1,0 Tesla und nur 1 W/kg bei 60 Hz gebildet werden. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann der Stapel 110 zur Minimierung des Kernverlusts an den Statorblechen zu minimieren kann der Stapel 110 mit Blechen konfiguriert werden, um den Wirbelstromfluss in den Blechen zu minimieren.
Wie weiter in 1 dargestellt, ist ein einziger radialer Lüftungskanal 120 im Wesentlichen an einem axialen Mittelpunkt des Stators 100 vorgesehen, der zwischen zwei separaten Sätzen von Blechen des Statorstapels 110 angeordnet ist. In Ausführungsformen kann der Lüftungskanal 120 eine Breite zwischen etwa 44,45 mm und 57,15 mm (1,75 Zoll und 2,25 Zoll) aufweisen, und in einer bestimmten Ausführungsform kann er eine Breite von etwa 50,8 mm (2,0 Zoll) aufweisen. Dieser Kanal kann breiter sein als herkömmliche Kernkanäle. Mit einem einzigen Lüftungskanal wie in der Ausführungsform von 1 kann eine gleichmäßige Luftverteilung an beiden Enden des Stators 100 gewährleistet werden, wodurch die Rückzirkulation minimiert wird. Obwohl eine Anordnung wie in 1 mit einem einzigen radialen Lüftungskanal in vielen Ausführungsformen verwendet werden kann, ist es in anderen Implementierungen einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine möglich, einen Stator mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form und einer kanallosen Konfiguration zu haben. Stattdessen kann, wie nachstehend beschrieben, die Kühlung intern zu einem Statorkern erfolgen, wenn die inneren Luftspalte oder Kanäle auf verschiedene Weise gebildet werden, wie hierin beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Luftspalte und Kanäle sowohl in einer kanallosen Statorkonfiguration als auch in einer Statorkonfiguration mit einem einzigen radialen Lüftungskanal vorhanden sein können.
Der Statorstapel 110 ist zwischen den entsprechenden Endplatten 140₁ , 140₂ angepasst. In der Abbildung von 1 ist zu beachten, dass an einem ersten Ende des Stators 100, an das die Endplatte 140 angepasst ist, eine Vielzahl von Fingern 130 vorgesehen sind. Wenn magnetische Materialien zu nahe an den Wicklungsendumdrehungen liegen, kann das Randfeld der Spule Wirbelströme im Material erzeugen und zusätzliche Verluste im Inneren der Maschine verursachen, so dass die Finger 130 und die Endplatte 140 aus nichtmagnetischen Materialien mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit bestehen, um die Wirbelstromverluste zu minimieren. In einer Ausführungsform können diese Komponenten aus einer Edelstahllegierung gebildet werden.
Nun in Bezug auf 2 ist eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Im Querschnitt von 2 ist eine einzelnes Statorblech 200 dargestellt. Wie zu sehen ist, beinhaltet die Statorblech 200 eine Vielzahl von axialen Luftkanälen 215, die als Aussparungen in der Statorblech 200 ausgebildet sind, die ein Gehäuse für Spulen und Luftspalte bilden, um einen zusätzlichen Kühlluftstrom zu ermöglichen. Insbesondere beinhaltet das Statorblech 200 eine Vielzahl von sich radial nach innen erstreckenden Radialzähnen, repräsentativ davon sind Radialzähne 202, 204 dargestellt, zwischen denen ein repräsentativer axialer Luftkanal 215 gebildet wird.
In Einsatz 210 ist das Vorhandensein einer Spule 212 zu beachten, die von einem Keil 219 aus nichtmagnetischem Material umschlossen ist. Unter dem Keil 219 befindet sich ein vertiefter Luftkanal 215, durch den Kühlluft strömen kann. Die Radialzähne des Statorblechs 200 erstrecken sich bis zu einem Innendurchmesser an Punkt 218. Es ist zu beachten, dass in Einsatz 210 nur ein einzelner Spulenabschnitt dargestellt ist. Wie in Einsatz 220 ausführlicher dargestellt, kann jedoch jeder axiale Luftkanal 215 zwei Spulenabschnitte aufnehmen, nämlich die Spulenabschnitte 224 und 222. In Ausführungsformen kann die Spule einer Statorwicklung Litzendrähte aus verdichteten, filmisolierten, entlang der Länge transponierten Magnetdrähten verwenden, um übermäßige Wechselstromverluste durch Hochfrequenzbetrieb aufgrund der Nähe der Drähte in einer Strang zu minimieren. Diese Verluste können ohne Transpositionen für Litzenleitungen bei 500 Hz Frequenz bis zu über 20 mal so hoch sein.
Wie in Einsatz 220 dargestellt, bieten die axialen Luftkanäle 215 einen zusätzlichen axialen Luftkanal zur Unterstützung der Statorspulenkühlung. Die zwischen den Spulenabschnitten 222, 224 angepassten Abstandhalter 225 dienen als Luftkanalabstandhalter zur Bereitstellung weiterer Luftkanäle für den Kühlluftstrom. Es ist ferner zu beachten, dass die Spulenabschnitte 222, 224 mit dem axialen Luftkanal 215 vertieft sind, so dass eine offene Geometrie vorhanden ist und zur Aufnahme eines zusätzlichen Kühlluftstroms verwendet werden kann. Somit sind entweder in einer kanalisierten oder einer kanalfreien Konfiguration eines Stators genügend Luftkanäle intern zum Stator 200 vorgesehen, um einen Kühlluftstrom aufzunehmen. Obwohl mit dieser speziellen Implementierung in 2 dargestellt, sind andere Konfigurationen von Statorblechen möglich.
Nun in Bezug auf 3 ist eine Darstellung eines Rotors gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie in 3 dargestellt, kann der Rotor 300 aus einem Rotorkern 310 selbst gebildet werden, der aus einer Vielzahl von Statorblechen, z.B. in Form von Platten, besteht. Der Rotorkern 310 ist ein nicht fester Kern, nämlich mit einer offenen zylindrischen Form mit einer Öffnung 305, die im Allgemeinen eine Größe zur Aufnahme einer Drehwelle aufweist. Wie hierin beschrieben, kann der Rotorkern 310 in Bezug auf eine entsprechende Drehwelle so dimensioniert werden, dass er einen starken Presssitz aufweist. Axial ist der Rotorkern 310 zwischen einem ersten Widerstandsring 320₁ und einem zweiten Widerstandsring 320₂ angepasst. Die Widerstandsringe 320 selbst sind wiederum durch entsprechende Sicherungsringe 330₁ , 330₂ begrenzt. Es ist zu beachten, dass die Widerstandsringe 320 als Kurzschlussringe wirken können, mit denen eine Vielzahl von Rotorstäben, z.B. aus Kupfer oder einer hochfesten Kupferlegierung, verbunden sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Rotorkern 310 aus einem hochfesten Material gebildet werden, z.B. mit einer Vielzahl von Blechen oder Platten. Dies ist der Fall, da eine hohe Rotordrehzahl eine hohe Umfangsspannung der Rotorkomponenten erzeugt. Daher wird ein hochfestes Material mit einer hohen Permeabilität (z.B. Vergütungsstahl 4340) verwendet, um den mechanischen Belastungen standzuhalten. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „hohe Festigkeit“ in Bezug auf Materialien auf ein bestimmtes Material mit einer Festigkeit in der Größenordnung von mindestens 689,5 MPa (100 Kilo Pfund pro Quadratzoll (ksi)), im Gegensatz zu Materialien mit geringerer Festigkeit wie Silizium- oder Kohlenstoffstählen mit Festigkeiten unter etwa 344,7 MPa (50 ksi).
Dicke Bleche werden für den Rotorkern 310 verwendet, um ein Knicken aufgrund eines starken Eingriffs zwischen den Blechen und einer Rotorwelle zu verhindern. In einer Ausführungsform kann die Blechdicke zwischen ca. 3,175 mm und 6,35 mm (0,125 Zoll und 0,250 Zoll) liegen. Sehr dicke Lamellen (z.B. mit einer Dicke zwischen 9,525 mm und 12,7 mm (0,375 Zoll und 0,500 Zoll)) können an jedem Ende des Rotorkerns 310 angebracht werden, um die Gefahr des Knickens zu verringern. Und in einer bestimmten Ausführungsform können die Innenrotorbleche aus hochfesten Stahlplatten mit einer Dicke von mehr als etwa 4,45 mm (0,175 Zoll) und die Endrotorbleche (z.B. eine einzelne periphere Platte an beiden axialen Enden) eine Dicke von etwa 12,7 mm (0,50 Zoll) aufweisen.
In Einsatz 340, der einen Querschnitt einer einzelnen Rotorkernplatte zeigt, ist zu beachten, dass es zwar eine Vielzahl von Schlitzen 345 gibt, durch die Rotorstangen eingeführt werden, es aber keine Lüftungskanäle gibt. Im Gegensatz werden konventionelle Radialrotorkanäle mit Stahlplatten oder 1-Trägern hergestellt, die zwischen den Blechstapeln eingeklemmt sind. Herkömmliche axiale Kanäle oder Öffnungen auf Rotorblechen lassen Luft axial durch den Rotor strömen. Herkömmliche axiale Öffnungen können jedoch unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen erhebliche Spannungen erzeugen. Stahlplatten oder I-Träger haben das Potenzial hinaus zu fliegen und verursachen bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb katastrophale Schäden.
Stattdessen sind bei Ausführungsformen nur sehr kleine Öffnungen 355 vorhanden, die sich von den entsprechenden Schlitzen 345 erstrecken, wie in Einsatz 350 dargestellt. Die Öffnungen 355 bieten einen Spannungsabbau gegen Umfangsspannung und minimieren gleichzeitig die durch Streufluss verursachten Wirbelstromverluste und verbessern den Leistungsfaktor. Die Öffnungen 355 können sehr kleine Breiten haben, z.B. in der Größenordnung von ca. 3,81 mm (0,015 Zoll). In jedem Fall kann die Dicke der Rotorstangenschlitzöffnungen 355 wesentlich enger sein als die Dicke der entsprechenden Rotorstangen 360. So können beispielsweise Rotorstangen 360 mit einem im Allgemeinen trapezförmigen Querschnitt ausgebildet sein und am radial äußeren Ende eine Breite zwischen etwa 5,08 und 10,16 mm (0,2 und 0,4 Zoll) und eine Tiefe zwischen etwa 25,4 und 50,8 mm (1 und 2 Zoll) am radial inneren Ende aufweisen.
In Ausführungsformen kann der Rotorkern 310 mit einer gerillten Rotorfläche ausgebildet werden, um Streuverluste zu reduzieren. Bei Hochgeschwindigkeits-/Frequenzanwendungen können hohe Oberflächen- und Pulsationsverluste zu extremer Erhitzung auf der Rotoroberfläche führen. Eine gerillte Rotorfläche trägt dazu bei, die Wirbelströme zu brechen und die Verluste zu minimieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann diese gerillte Außenfläche des Rotorkerns 310 mit einer Vielzahl von im Wesentlichen umlaufenden Nuten ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann eine einzelne spiralförmig angepasste umlaufende Nut verwendet werden. Die gerillte Oberfläche kann eine Tiefe von ca. 2 Millimetern und eine Breite von ca. 0,5 Millimetern aufweisen; natürlich sind andere Abmessungen in anderen Ausführungen möglich.
In Ausführungsformen erfährt der Endbereich eines Rotorkerns durch die hohe Zentrifugalkraft eine hohe Belastung. Daher können die Widerstandsringe 320 aus einer hochfesten Kupferlegierung gebildet werden. Die Sicherungsringe 330 wiederum werden aus hochfestem legiertem Stahl gebildet, der zum Schutz dieses Bereichs verwendet wird. In einem bestimmten Beispiel können die Sicherungsringe 330 aus dem gleichen hochfesten Stahl gebildet werden, der auch für die Blechplatten des Rotorkerns 310 verwendet wird. Darüber hinaus sind die Sicherungsringe 330 so konzipiert, dass sie die Tendenz der Widerstandsringe 320 ausgleichen, sich in eine konische Form zu verformen und einen gleichmäßigen Stützdruck erzeugen und die Widerstandsringe 320 sowohl axial als auch radial einschränken.
Genauer gesagt ist in 4 eine Querschnittsansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Hier beinhaltet der Rotor 300 einen Widerstandsring 320, der durch einen entsprechenden Haltering 330 begrenzt ist. Wie weiter gezeigt, ist zu beachten, dass eine Endplatte des Rotors 300, nämlich die Endplatte 310_E , aus einem dickeren Blech (z.B. zwischen 9,525 und 12,7 mm (0,375 und 0,5 Zoll)) gebildet werden kann als andere Blechen. Natürlich können in einigen Ausführungsformen mehrere Endplatten mit größeren Dicken als die Innenplatten eines Rotorkerns vorgesehen werden.
Wie vorstehend beschrieben, können in einer Ausführungsform Endplatte 310_E und Haltering 330 aus dem gleichen hochfesten Stahlmaterial gebildet werden, während stattdessen der Widerstandsring 320 aus einer hochfesten Kupferlegierung gebildet wird, an die eine Vielzahl von Rotorstäben z.B. durch Hartlöten angeschlossen werden kann. Wie auch mit den Pfeilrichtungen in 4 dargestellt, verursachen Fliehkräfte im Hochgeschwindigkeitsbetrieb einen Auswärtsdruck auf den Widerstandsring 320. Mit den Geometrien des Widerstandsrings 320 mit einem konischen Profil (wie an der Spitze der Pfeile dargestellt) und der entsprechenden Form des Halterings 330, der um diesen Punkt herum angepasst ist, wird ein entsprechendes Gegengewicht der entgegengesetzten Kräfte realisiert.
4 zeigt auch, dass zwischen dem Widerstandsring 320 und dem Sicherungsring 330 (an mehreren Stellen des Axialprofils) kleine axiale Abstände vorhanden sein können, um Raum für Dehnungen während der Herstellung und des Betriebs zu schaffen. Im Gegensatz dazu ist sehr begrenzter oder kein Raum vorhanden an dem Radialpunkt, an dem sich Widerstandsring 320 und Sicherungsring 330 sich treffen oder an der Stelle, an der sich die Pfeile treffen. Wie weiter dargestellt, ist zu beachten, dass ein Massenschwerpunkt des Sicherungsrings 330 im Wesentlichen axial distal von der Kontaktstelle des Sicherungsrings angeordnet ist, um die Gegengewichtskräfte bereitzustellen.
Ausführungsformen sehen darüber hinaus eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zur Bildung eines Rotors und zur Anpassung einer Welle an den Rotor vor. Genauer gesagt, kann sich ein Rotor, wie hierin beschrieben, bei Ausführungsformen auf einen starken Presssitz in Kombination mit dicken Blechen, Endplatten und einer Kontermutter verlassen, um die Notwendigkeit von Stapelbolzen zu vermeiden. Das heißt, in einem konventionellen Prozess wird ein traditioneller gestapelter Rotor aus Stapelbolzen gebildet, die sich durch bereits vorhandene Löcher in den Rotorblechen erstrecken, um einen angemessenen Stapeldruck zu erzeugen. Diese bereits vorhandenen Löcher und die Einbeziehung von Stapelnocken beeinträchtigen jedoch die Leistung nachteilig. Dies ist so, da diese Löcher, auch wenn sie mit einem Stapelbolzen gefüllt sind, hohe Umfangspannungen erzeugen. Stattdessen wird bei einer Ausführungsform der Kerndruck beibehalten und die Verformung der Blech nach dem Entfernen einer Fertigungsvorrichtung minimiert. Genauer gesagt, kann der Kerndruck durch die Verwendung von dicken Blechen, einem schweren Schrumpfsitz und einer Kontermutter gegen die Endplatte beibehalten werden. Diese Kontermutter wird unmittelbar nach der Kernmontage, aber vor dem Entfernen der Vorrichtung montiert und festgezogen. Diese Stapeltechnik ermöglicht eine vereinfachte Geometrie der Rotorbleche und erübrigt die Notwendigkeit für zusätzliche Löcher in den Blechen wie bei einem herkömmlichen Verfahren.
In Bezug auf 5 ist eine Darstellung einer Fertigungsumgebung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie in 5 dargestellt, ist in der Fertigungsumgebung 500 eine Fertigungsvorrichtung 510 vorgesehen. Wie zu sehen ist, kann in der Vorrichtung 510 ein Rotorpaket 310 gebildet werden. Bei Anpassung an die Vorrichtung 510 werden neben den Blechplatten auch entsprechende Widerstandsringe und Sicherungsringe im Stapel bereitgestellt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren werden, anstatt intern (im Rotorstapel) eingeschlossene Bolzen vorzusehen, eine Vielzahl von externen Stapelbolzen 520 um einen Umfang der Vorrichtung 510 herum angepasst und zum Feststellen der Vorrichtung 510 verwendet, um eine Stapelkraft auf die gestapelte Anordnung des Rotorkerns 310 aus dieser externen Position bereitzustellen.
Nach diesem Stapelvorgang kann die Vorrichtung 510 in einen Ofen oder einen anderen Heizmechanismus eingesetzt werden, um die Temperatur des Rotorkerns 310 zu erhöhen, um einen anschließenden Prozess mit einer Rotorwelle zu ermöglichen (nicht in 5 dargestellt). So kann beispielsweise der Rotorstapel 310 für eine Zeitdauer von mindestens 8 Stunden auf eine Temperatur zwischen etwa 375 und 425° Celsius (C) erwärmt werden, um eine radiale Ausdehnung der einzelnen Blechplatten zu bewirken.
Danach kann die Rotorwelle zur Montage des Rotorkerns auf einer Rotorwelle auf eine angemessene Temperatur gekühlt werden. Beispielsweise kann eine Rotorwelle für einen Zeitraum von etwa 4 bis 8 Stunden in Trockeneis gelegt werden, um eine Temperatur in der Größenordnung von etwa -50 bis -100 °C zu erreichen. Nach diesem Kühlvorgang und während der Rotorkern eine hohe Temperatur hat (z.B. mindestens 375 °C) kann es zu einem anschließenden Prozess kommen, bei dem die Rotorwelle im Rotorkern installiert wird. Wenn das heiße Metall des Rotorkerns mit dem kalten Metall der Drehwelle in Kontakt kommt, wird die Drehwelle erwärmt und dehnt sich aus, um eine gewünschte Stufe einer Presspassung zwischen der Drehwelle und dem Rotorkern zu erreichen.
Eine weitere alternative Rotor-Wellen-Montagetechnik kann für große Rotordurchmesser eingesetzt werden. Dies ist so, da mit zunehmendem Rotorblechdurchmesser von mehr als etwa, z.B., 0,305 m (12 Zoll) die Größe des erforderlichen Presspassung mit der Welle so weit zunimmt, dass die Bleche nicht mehr ausreichend erhitzt werden können, um auf der Welle montiert zu werden. Denn die für die Montage benötigte Wärmemenge würde die Materialeigenschaften der Bleche negativ beeinflussen.
Somit können die gestapelten Rotorbleche eines Rotorkerns mit einer Welle installiert werden und erreichen durch den Einsatz konzentrischer sich verjüngender Hülsen ein hohes Maß an Eingriff. Bei dieser Technik wird der gestapelte Rotorkern auf das höchstzulässige Niveau erwärmt, z.B. in der Größenordnung von ca., z.B., 400 °C und auf eine Hülse aufgeschrumpft, die aus dem gleichen hochfesten Stahl wie der Rotorkern mit einer Verjüngung der Innendurchmesser gebildet werden kann. Die Anordnung wird erneut auf das höchstzulässige Niveau aufgeheizt und auf die Welle aufgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine innere segmentierte Hülse montiert und mit einer Kontermutter festgezogen.
So ergibt sich, wie in 6 dargestellt, in einer durch diesen Prozess geformten Anordnung ein Rotor 600 mit einem Rotorkern 610 und einer Drehwelle 620. Das Vorhandensein einer äußeren Kernhülse 612 mit einer sich verjüngenden Bohrung und innen daran einer inneren segmentierten Hülse 614 mit einem verjüngten Außendurchmesser ist zu beachten. Darüber hinaus zeigt 6 das Vorhandensein einer Kernkompressionsmutter 630 und einer Schrumpfsitz-Haftmutter 635, die an die Welle 620 angepasst ist, sowie mindestens eines Teils der Hülsen 612, 614, um die Anordnung zu begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform wird der gestapelte Kern auf das höchstzulässige Niveau erwärmt und auf eine Hülse mit einer Verjüngung am Innendurchmesser geschrumpft. An einem Ende der verjüngten Hülse ist eine Sicherungsmutter montiert, um den Stapeldruck aufrechtzuerhalten. Die Anordnung wird dann auf das höchstzulässige Niveau erwärmt und über eine sich verjüngende Welle gelegt und gedrückt, bis die gewünschte Überlagerung erreicht ist. Ein Schloss kann installiert werden, um den gestapelten Kern zu sichern, und die Wellenmontage ist abgeschlossen.
7A zeigt einen ersten Schritt dieses Herstellungsprozesses, bei dem eine Sicherungsmutter 730 an einem Ende einer verjüngten Hülse 712 montiert ist, die wiederum zwischen dem Rotorkern 710 und einer sich verjüngenden Welle 720, die vorbearbeitet werden kann, angepasst ist. Nachdem dieser Prozess abgeschlossen ist, zeigt 7B einen zweiten Schritt des Prozesses, bei dem Merkmale der sich verjüngenden Welle 720 maschinell bearbeitet werden können, um eine gewünschte Form für Zwecke in Bezug auf eine endgültige Position des Rotorkerns 710 und für die Anpassung innerhalb eines bestimmten Rahmens von Hochgeschwindigkeitsmaschinen an die Verbindung mit Lagern usw. bereit zu stellen.
In noch einer weiteren Ausführungsform, wie in 8 dargestellt, wird ein gestapelter Rotorkern 810 zwischen zwei Endplatten gestapelt und der Druck mit einer Vorrichtung ähnlich der in 5 beschriebenen, gehalten. Sowohl der Außendurchmesser der Welle 820 als auch der gestapelte Kern 810 Innendurchmesser sind mit einem Gewinde versehen. Spezielle Vorrichtungen und Werkzeuge können verwendet werden, um das Drehmoment auf den gestapelten Kern aufzubringen, um das erforderliche Eingriffslevel gemäß der Messung des diametralen Wachstums des Außendurchmessers zu erreichen. Nachdem der richtige Eingriff erreicht wurde, wird die Welle fertig bearbeitet.
In einer noch weiteren Ausführungsform, wie in 9 dargestellt, kann der gestapelte Kern 910 zwischen zwei Endplatten 912, 914 gestapelt werden und der Druck wird über eine Hülse 920 mit einer Kontermutter 925 an einem Ende aufrechterhalten. Die Bohrung der Hülse 920 verjüngts sich. Der gestapelte Kern 910 kann mit einem Hochdruck-Hydraulikfluid über eine Vielzahl von Längsnuten 935 in einer Welle 930 störungsfrei installiert werden, um die Hülse 920 zu spreizen, während sie auf die Welle 930 gedrückt wird.
Bei Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsmotors mit einem Stator mit einem einzigen, im Wesentlichen zentral angeordneten Lüftungskanal kann es zu einer Umkehrlüftung einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine kommen. Bei dieser Anordnung tritt gekühlte Luft, die von externen Gebläsen angetrieben wird, von der Mitte aus in die Maschine ein und zirkuliert an beiden Enden der Maschine zurück. Da dieser Hochgeschwindigkeitsrotor keine Kanäle oder Innengebläse hat, werden externe Gebläse zur Erzeugung der internen Luftzirkulation verwendet. Externe Gebläse sorgen für einen konstanten Luftstrom bei Anwendungen mit variabler Drehzahl und/oder einen einstellbaren Luftstrom, der je nach Maschinenbetriebsbedingungen erforderlich ist. Im Gegensatz dazu würde eine herkömmliche Maschinenkonfiguration mit einem Rotor mit axialen und radialen Lüftungskanälen typischerweise den inneren Luftstrom erzeugen.
In Bezug auf 10A ist eine Schnittansicht einer Umgebung einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschinen gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie in 10A dargestellt, beinhaltet die Maschinenumgebung 1000 einen Rahmen 1010, der die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine 1005 behaust, die aus Stator und Rotor besteht (mit entsprechend montierter Welle, wie hierin beschrieben). In der Ausführungsform von 10A ist eine Umkehrlüftungs-Kühlanordnung dargestellt, bei der Kühlluft von einem (z.B. externen) Kühler über den Luftstrom 1020 durch einen ersten Kanal 1025 aufgenommen wird. Die Kühlluft strömt wiederum über einen einzigen radialen Lüftungskanal 1015 nach unten und in die Maschine 1005. Die Kühlluft strömt wie hier beschrieben durch Luftspalte und Luftkanäle innerhalb des Stators und den Luftspalt zwischen Stator und Rotor. Nach dem Austritt aus einem der beiden axialen Enden des Stators durch die Statorwicklungen strömt die Luft als Abgasströmung 1030, 1040 über den zweiten bzw. dritten Kanal 1035, 1045 zurück zum Kühler zur weiteren Kühlung. 10B zeigt auch eine Seitenansicht mit dem Kühlluftstrom.
In einer weiteren Implementierung kann eine einzige Lüftungstechnik verwendet werden, bei der gekühlte Luft, angetrieben durch externe Gebläse, von einem Ende in eine Maschine eintritt und durch Luftspalte zum anderen Ende der Maschine zurückfließt. In Bezug auf FIG. IIA ist nun eine Schnittdarstellung einer Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschinenumgebung gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in 11A dargestellt, beinhaltet die Maschinenumgebung 1100 einen Rahmen 1110, der eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine 1105 behaust, die aus Stator und Rotor besteht (mit entsprechend montierter Welle, wie hierin beschrieben).
In der Anordnung von FIG. IIA mit bei einem kanallosen Stator tritt Kühlluft aus einem Kühler in dem Rahmen 1110 an einem ersten axialen peripheren Abschnitt der Maschine 1105 als Luftstrom 1120 durch einen ersten Kanal 1125 und über einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator und Luftkanälen, wie hierin beschrieben, der Kühlstrom läuft axial durch die Maschine 1105 und tritt als Abgasstrom 1130 über einen Kanal 1135 zum Kühler aus. 11B zeigt auch eine Seitenansicht mit dem Kühlstrom.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann zahlreiche Modifikationen und Variationen davon verstehen. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Änderungen und Abweichungen abdecken, die unter den wahren Geist und Umfang dieser vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine, umfassend: einen Stator, der aus einer ersten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der ersten Vielzahl von Blechen eine Dicke von weniger als etwa 0,254 mm (0,01 Zoll) aufweist, wobei der Stator eine Wicklung aufweist, die eine Spule umfasst, die an den Stator angepasst ist, wobei die Spule aus Litzendraht gebildet ist; und einen Rotor, der innerhalb des Stators angepasst ist, wobei der Rotor umfasst: einen Rotorkern, der aus einer zweiten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der zweiten Vielzahl von Blechen eine zweite Dicke von mehr als etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, wobei die zweite Vielzahl von Blechen aus hochfestem Stahl gebildet und zwischen einem ersten Endbereich mit mindestens einem ersten peripheren Sekundärblech und einem zweiten Endbereich mit mindestens einem zweiten peripheren Sekundärblech sandwichartig angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten peripheren Sekundärbleche eine dritte Dicke aufweisen, wobei die dritte Dicke größer als die zweite Dicke ist, wobei der erste Endbereich einen ersten Endring aufweist, der von einem ersten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Endring aufweist, der von einem zweiten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Stator einen einzelnen radialen Lüftungskanal umfasst, der an einem im Wesentlichen axialen Mittelpunkt des Stators angeordnet ist.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 2, wobei die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine über eine Umkehrlüftung kühlbar ist, die über den einzelnen radialen Lüftungskanal aufgenommen wird.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 3, wobei die Umkehrlüftung von der im Wesentlichen axialen Mitte des Stators zu einem ersten axialen peripheren Abschnitt des Stators und einem zweiten axialen peripheren Abschnitt des Stators zirkuliert.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Stator eine im Wesentlichen zylindrische, kanalfreie Konfiguration umfasst.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 5, wobei die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine über einen Kühlluftstrom kühlbar ist, der an einem ersten axialen peripheren Abschnitt des Stators aufgenommen wird und aus dem Stator an einem zweiten axialen peripheren Abschnitt des Stators austritt.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Stator eine Vielzahl von axialen Schlitzen umfasst, die jeweils durch ein Paar von einer Vielzahl von inneren radialen Statorzähnen gebildet sind, wobei jede der Vielzahl von axialen Schlitzen einen ersten Spulenabschnitt der Wicklung und einen zweiten Spulenabschnitt der Wicklung aufnimmt und mindestens einen axialen Kanal zum Kühlen des Luftstroms bereitstellt.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 7, wobei der mindestens einen axialen Kanal im Wesentlichen an einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor angrenzt.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 7, wobei der erste Spulenabschnitt von dem zweiten Spulenabschnitt über einen nichtmagnetischen Abstandshalter getrennt ist, um einen ersten axialen Kanal für den Kühlluftstrom bereitzustellen.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Rotorkern eine im Wesentlichen zylindrische, kanallose Konfiguration umfasst.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 10, wobei eine Oberfläche des Rotorkerns eine gerillte Oberfläche umfasst, um Verluste zu reduzieren.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 11, wobei die gerillte Oberfläche eine Vielzahl von einzelnen Umfangsrillen umfasst, die um einen Umfang des Rotorkerns angepasst sind.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Rotorkern ferner eine Vielzahl von Rotorstäben umfasst, die innerhalb einer entsprechenden Vielzahl von Schlitzen des Rotorkerns angepasst sind, wobei jeder der Vielzahl von Schlitzen eine Schlitzöffnung zu einer radialen Außenseite des Rotorkerns umfasst, wobei die Schlitzöffnung eine Breite aufweist, die wesentlich schmaler als die Breite einer entsprechenden Rotorstange ist, um eine Spannungsreduzierung gegen Umfangsspannung zu bewirken und den Streufluss zu minimieren.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine, umfassend: einen Rahmen mit einem ersten Kanal zum Empfangen eines Kühlluftstroms, einen zweiten Kanal zum Empfangen eines ersten Abluftstroms und einem dritten Kanal zum Empfangen eines zweiten Abluftstroms; einen Stator, der innerhalb des Rahmens angepasst ist, wobei der Stator aus einem ersten axialen Abschnitt mit einer ersten Vielzahl von Blechen und einem zweiten axialen Abschnitt mit einer zweiten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Blechen eine Dicke von weniger als etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, wobei der Stator in axialer Richtung einen einzelnen radialen Lüftungskanal umfasst, der zwischen dem ersten axialen Abschnitt und dem zweiten axialen Abschnitt angepasst ist, wobei der einzelne radiale Lüftungskanal eine Vielzahl von Lamellen aufweist, um den Kühlluftstrom, der über den ersten Kanal radial intern empfangen wird, zu leiten, wobei der Kühlluftstrom durch den ersten axialen Abschnitt geleitet wird und als erster Abluftstrom durch den zweiten Kanal und durch den zweiten axialen Abschnitt ausgegeben wird, und als zweiter Abluftstrom durch den dritten Kanal ausgegeben wird, wobei der Stator eine Vielzahl von inneren Radialzähnen und eine Vielzahl von inneren Axialschlitzen umfasst, die zwischen Paaren von der Vielzahl von inneren Radialzähnen gebildet sind, wobei jeder der Vielzahl von inneren Axialschlitzen einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt einer oder mehrerer Spulen aufnimmt, die an den Stator angepasst sind, und einen ersten Luftkanal bereitstellen, der zwischen dem ersten Spulenabschnitt und dem zweiten Spulenabschnitt angepasst ist, und einen zweiten Luftkanal, der zwischen dem zweiten Spulenabschnitt und einem Innendurchmesser der entsprechenden inneren Radialzähne angepasst ist, wobei der Kühlluftstrom zum Fließen durch den ersten Luftkanal und den zweiten Luftkanal ausgebildet ist; und einen Rotor, der innerhalb des Stators angepasst ist, wobei der Rotor einen Rotorkern umfasst, der aus einer dritten Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei jede der dritten Vielzahl von Blechen eine zweite Dicke von mehr als etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) aufweist, wobei die dritte Vielzahl von Lamellen aus hochfestem Stahl gebildet und zwischen einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich sandwichartig angeordnet ist und mindestens ein erstes peripheres Blech und mindestens ein zweites peripheres Blech mit einer dritten Dicke, wobei die dritte Dicke größer als die zweite Dicke ist, wobei der erste Endbereich einen ersten Endring aufweist, der durch einen ersten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird, wobei der zweite Endbereich einen zweiten Endring aufweist, der durch einen zweiten um ihn herum angepassten Haltering gehalten wird.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 14, worin der einzelne radiale Lüftungskanal an einem wesentlichen axialen Mittelpunkt des Stators angepasst ist.
Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine nach Anspruch 15, wobei die Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine über eine Umkehrlüftung zu kühlen ist, die axial nach außen vom wesentlichen axialen Mittelpunkt des Stators zirkuliert.
Verfahren, umfassend: Bilden eines Stapels innerhalb einer Fertigungsvorrichtung, der einen Rotorkern für eine Hochgeschwindigkeitsinduktionsmaschine umfasst, wobei der Stapel einen ersten Haltering, einen ersten Widerstandsring, der axial und radial durch den ersten Haltering begrenzt ist, eine erste periphere Platte mit einer ersten Dicke, eine Vielzahl von Innenplatten mit einer zweiten Dicke, die kleiner als die erste Dicke ist, wobei die zweite Dicke mindestens etwa 2,54 mm (0,10 Zoll) ist, eine zweite periphere Platte mit der ersten Dicke, einen zweiten Widerstandsring und einen zweiten Haltering zum axialen und radialen Begrenzen des zweiten Widerstandsrings umfasst; Einsetzen einer Vielzahl von Stapelbolzen durch die Fertigungsvorrichtung und außerhalb des Stapels, und Verriegeln der Vielzahl von Stapelbolzen an der Fertigungsvorrichtung; Erhitzen des Stapels auf mindestens eine erste Temperatur, um zu bewirken, dass der Stapel einen laminierten Rotorkern bildet; Kühlen einer Drehwelle auf mindestens eine zweite Temperatur, wobei die zweite Temperatur wesentlich niedriger als die erste Temperatur ist; und Montieren der Drehwelle an dem laminierten Rotorkern mit einem Presssitz dazwischen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Bilden mindestens einer Umfangsnut an einem Außenumfang des laminierten Rotorkerns.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: nach dem Erhitzen des Stapels auf mindestens die erste Temperatur, Anpassen einer ersten Hülse um einen Innenumfang des geschichteten Rotorkerns; Installieren der Drehwelle auf dem laminierten Rotorkern mit der ersten dazwischen angepassten Hülse; und Endbearbeitung der Merkmale der Drehwelle in Bezug auf eine Endposition des laminierten Rotorkerns in Bezug auf die Drehwelle.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Anpassen einer zweiten Hülse um einen Innenumfang der ersten Hülse; und Installieren der Drehwelle auf dem laminierten Rotorkern mit der ersten Hülse und der dazwischen angepassten zweiten Hülse.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Bearbeiten einer Vielzahl von miteinander verbundenen Längsnuten auf der Drehwelle, um als Hochdruck-Hydraulikfluidleitungen zu dienen; Installieren der Drehwelle auf dem laminierten Rotorkern mit der ersten dazwischen angepassten Hülse; und Aufbringen eines Hochdruck-Hydraulikfluids zwischen der Drehwelle und der ersten Hülse, um die erste Hülse und den laminierten Rotorkern zu dehnen, während eine Kraft aufgebracht wird, um den laminierten Rotorkern auf der Drehwelle zu positionieren.
das Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Bearbeiten eines konischen Gewindes um eine Innenbohrung des laminierten Rotorkerns; Bearbeiten eines konischen Gewindes auf einer Umfangsfläche der Drehwelle; Anziehen des laminierten Rotorkerns auf die Drehwelle auf ein ausgewähltes Eingriffsniveau; und Endbearbeitung der Merkmale der Drehwelle in Bezug auf eine Endposition des laminierten Rotorkerns in Bezug auf die Drehwelle.