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Die Erfindung betrifft einen Rotor mit Mantelgehäuse (Läuferkappe) eines Motors oder eines Generators, das insbesondere zur mechanischen Verstärkung Fasern aufweist.
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Durch die Entwicklung immer größerer Turbogeneratoren für GuD-Anlagen oder Motoren besteht der Wunsch nach einem Mantelgehäuse mit einer besonders hohen Festigkeit, ausreichenden Formungseigenschaften, einer Möglichkeit einer Nicht-Magnetisierbarkeit, einer Korrosionsbeständigkeit und einem geringen Gewicht.
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Kunststoffgehäuse sind im Generator- oder Motorbau bekannt. Faserverstärkung von Materialien wie Kunststoff sind Stand der Technik.
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Faserverstärkte Materialien im Generator- oder Motorbau sind ebenfalls bekannt.
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Befestigungen von Läuferkappen sind aus der
US 6,861,617 B2 bekannt: entweder durch Schrumpfung oder durch aufwändige Konstruktionen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor mit einem Mantelgehäuse für elektrische Generatoren oder Motoren bereitzustellen, die diese Vorteile optimal ausnutzt und einfacher gestaltet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit einem Mantelgehäuse gemäß Anspruch 1.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Untersprüchen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
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Dieses Mantelgehäuse weist den Vorteil auf, dass es zumindest teilweise, nämlich dort, wo es den faserverstärkten Kunststoff aufweist, eine deutlich geringere Dichte, insbesondere von 1,5 bis 1,6 g/cm3 aufweist als hochlegierter Stahl (ab 7,8 g/cm3) und damit ein erheblich geringeres Gewicht aufweist.
So können Eigenfliehkräfte des Mantelgehäuses deutlich reduziert werden, welche bei typischen Schleuderdrehzahlen von 3000 bis 3600 U/min bis zu 50% der resultierenden Spannungen in dem Mantelgehäuse ausmachen. Zudem besitzt der faserverstärkte Kunststoff eine signifikant höhere spezifische Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, sowie einen signifikant höheren spezifischen E-Modul.
Dadurch kann beispielsweise eine Wandstärke verringert werden, was ein Gewicht des Mantelgehäuses noch weiter reduziert.
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Ferner weist faserverstärkter Kunststoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch ein Mantelgehäuse bei erhöhter Temperatur auf einem Läufer festgezogen wird. Dadurch kann im Betrieb eine durch die Zentrifugalkraft erzeugte Dehnung des Mantelgehäuses durch den Temperaturschrumpf deutlich unterdrückt werden, was einen sicheren Sitz des Mantelgehäuses unterstützt.
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Bei der jetzigen Läuferkappe vollständig aus Stahl dehnt sich hingegen die Läuferkappe mit steigender Temperatur zusätzlich aus.
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Auch ist faserverstärkter Kunststoff sehr korrosionsbeständig.
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Noch ein weiterer Vorteil liegt darin, dass faserverstärkter Kunststoff standardmäßig unmagnetisch ist. Dennoch können sich bei einer elektrischen Leitfähigkeit der Fasern gewünschte elektrische Dämpfungseigenschaften ergeben.
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Das Mantelgehäuse kann durch die Verwendung des faserverstärkten Kunststoffs flexibel und vielgestaltig geformt werden. Produktionskosten und Produktionszeiten können ebenfalls deutlich reduziert werden, da ein aufwändiger Schmiedeprozess und Nachbearbeitungsprozess entfällt. Zudem können Materialkosten bei einer Substitution eines hochlegierten Stahls durch den faserverstärkten Kunststoff deutlich reduziert werden.
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Faserverstärkter Kunststoff ist ausreichend und ohne Schwierigkeiten verfügbar.
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Es zeigen die Figuren schematisch die Erfindung.
- Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
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Die 1 zeigt einen Endabschnitt eines Rotors 1 eines Generators oder Motors.
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An einem Ende 22 des Rotors 1 des Generators oder des Motors ist eine Endplatte 7 vorhanden, die sich über den radialen Querschnitt des Generators oder Motors erstreckt.
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Diese Endplatte 7 kann vorzugsweise aus Stahl sein, kann aber auch ebenfalls aus Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein.
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In Umfangsrichtung um den Rotor 1 am Ende 22 erstreckt sich ein Mantelgehäuse 4.
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Vorzugsweise ist das Mantelgehäuse 4 ein faserverstärktes, ein CFK-Bauteil.
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Mantelgehäuse 4 und Endplatte 7 können auch einteilig zusammen ausgeführt sein und sind dann vorzugsweise beide faserverstärkt oder zumindest ist die Endplatte 7 dann auch aus Kunststoff.
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Die 1 zeigt eine Welle 16 des Rotors 1 und eine Wicklung 15 zwischen Läuferzähnen 14 und Keile 13 („wedges“) zur Sicherung der Wicklung 15.
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Das Mantelgehäuse 4 liegt auf der Welle 16 auf.
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Die Welle 16 stellt hier im Querschnitt eine L-Form dar, wobei das L sich mit dem längeren Teil des L radial erstreckt.
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Dies erfolgt dadurch, dass das Mantelgehäuse 4 auf einem Vorsprung 43 der Welle 16, der sich in axialer Richtung in Richtung Endplatte 7 erstreckt, zum Aufliegen kommt.
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Das Mantelgehäuse 4 weist ebenso einen Vorsprung 29 auf, der, radial (parallel zur Drehachse des Rotors 1) betrachtet, sich nach außen erstreckt und auf dem Vorsprung 43 aufliegt. Ebenso liegt das Mantelgehäuse 4 an einer Stirnseite 40 des Vorsprungs 43 der Welle 16 an.
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In der Umfangsfläche dieses Vorsprungs 43 oder am Ende des Mantelgehäuses 4 ist ein Haltering 31, insbesondere als Springring ausgebildet, vorhanden, der in die zweite Vertiefung 11 der Welle 16 eingreift und zum Rückhalt und Befestigung des Mantelgehäuses 4 dient.
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Eine entsprechende, gegenüberliegende erste Vertiefung 10 ist auch im Mantelgehäuse 4 ausgebildet.
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Ebenfalls ist ein Ring 34 als Dämpferkäfig in einer dritten Vertiefung 19, vorzugsweise auf dem Vorsprung 43, zwischen Mantelgehäuse 4 und Welle 16 vorhanden.
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Die dritte Vertiefung 19 kann nur in der Welle 16, nur im Mantelgehäuse 4 oder in der Welle 16 und Mantelgehäuse 4 ausgebildet sein.
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Das Mantelgehäuse 4 liegt dann mit seinem Vorsprung 29 an einem Absatz 37 der Welle 16 an und weist dort dem Ende 22 gegenüberliegend eine Stirnseite 28 auf.
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Die Innenseite 46 des Mantelgehäuses 4 ist vorzugsweise mit einer Isolationsschicht oder Schutzschicht versehen.
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Diese besteht aus einem nichtleitendem, robusten Kunststoff, der von dem Kunststoff des Mantelgehäuses 4 deutlich unterschiedlich ist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Rotor 1' gezeigt, welches eine vereinfachte Version ausgehend von 1 darstellt.
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Die Welle 16 stellt hier im Querschnitt nur eine L-Form dar (ohne Vorsprung 43 gemäß 1), wobei das L sich mit dem längeren Teil des L radial erstreckt.
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Im Querschnitt ist zu erkennen, dass die Welle 16 keinen Vorsprung 43 mehr aufweist und auch kein Ring 34 vorhanden ist. Dadurch liegt das Mantelgehäuse 4 mit seinem Vorsprung 29 am Absatz an dem kurzen Ende 40 der L-Form an.
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In der Umfangsfläche dieses Vorsprungs 43 oder am Ende des Mantelgehäuses 4 ist ein Haltering 31, insbesondere als Springring ausgebildet, vorhanden, der in die zweite Vertiefung 11 der Welle 16 eingreift und zum Rückhalt und Befestigung des Mantelgehäuses 4 dient.
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Eine entsprechende, gegenüberliegende erste Vertiefung 10 ist auch im Mantelgehäuse 4 ausgebildet.
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Das Mantelgehäuse 4 wird also so an der Welle 16 befestigt, dass der insbesondere faserverstärkte Kunststoff zumindest teilweise über den Halterring 31 an der Welle 16 aufliegt.
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Insbesondere ist der Haltering 31 dazu vorgesehen, auf Läuferzähnen 14 der Welle 16 aufzuliegen.
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Eine Innenseite des Halterings 31 liegt im eingebauten Zustand frei, während er die Außenseite das Mantelgehäuse 4 kontaktiert.
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Ein Material des Halterings 31 weist insbesondere einen niedrigeren elektrischen Widerstand als der faserverstärkte Kunststoff auf. Dadurch kann verhindert werden, dass bei einer Schieflast des Läufers in dem Mantelgehäuse fließende hohe Ströme zu übermäßig hohen Temperaturen in dem Mantelgehäuse führen.
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Es ist eine vorteilhafte Weiterbildung, dass der Haltering 31 aus Metall besteht.
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Dadurch ist ein besonders preiswerter und elektrisch gut leitender Haltering 31 aus Metall bereitstellbar, insbesondere da an das Metall keine hohen mechanischen Anforderungen gestellt zu werden brauchen.
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Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass der Haltering 31 aus Stahl mit einem niedrigen Legierungsanteil besteht. Dieser ist besonders preiswert und weist einen ausreichend geringen spezifischen elektrischen Widerstand auf.
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Gleichzeitig ergeben sich durch den Einsatz des Halterings 31 Verbesserungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Mantelgehäuses 4 und hinsichtlich einer Vereinfachung in der Anwendung.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Mantelgehäuse 4 vollständig aus dem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
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Die Fasern können insbesondere als (lose) unidirektionale Fasern, als Fasergewebe und/oder als Fasergelege vorliegen oder bereitgestellt werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Fasern Kohlefasern aufweisen oder sind. Kohlefasern weisen den Vorteil auf, dass sie hochfeste Matrix/Faser-Komposit-Materialien ermöglichen, preiswert sind, weit verfügbar sind, sich bei der Herstellung einfach handhaben lassen und zudem elektrisch leitfähig sind.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Fasern Keramikfasern aufweisen. Keramikfasern weisen den Vorteil einer besonders hohen Zugfestigkeit und Dehnbarkeit als auch Hochtemperaturbeständigkeit auf.
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Die Keramikfasern können insbesondere oxidische Keramikfasern sein, insbesondere Aluminiumoxid-Fasern oder Siliziumdioxid-Fasern. Die Keramikfasern können alternativ oder zusätzlich nicht-oxidische Keramikfasern sein, insbesondere Siliziumkarbid-Fasern.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Fasern Borfasern aufweisen. Diese weisen eine extrem hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Fasern Aramidfasern aufweisen. Aramidfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, eine hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung, eine gute Schwingungsdämpfung sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen aus. Sie sind darüber hinaus sehr hitze- und feuerbeständig.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Fasern in einer Kunststoffmatrix aus Harz, insbesondere Epoxidharz, eingebettet sind. Epoxidharz ist als Matrixmaterial für Fasern gut bekannt und beherrschbar. Epoxidharz ist ferner von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit. Jedoch sind auch andere Kunststoffe, insbesondere duroplastische Kunststoffe, einsetzbar.
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Das Mantelgehäuse kann bezüglich ihres faserverstärkten Kunststoffs beispielsweise mittels einer Filament-Umwicklung („Filament-Winding“), mittels Spritzpressens (auch als „Resin Transfer Molding“; RTM bezeichnet) und/oder mittels einer Prepreg-Technologie hergestellt werden. Diese Herstellungsverfahren ermöglichen eine flexible und effiziente Herstellung von Bauteilen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Mantelgehäuse vollständig aus dem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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