DE10244746A1

DE10244746A1 - Läuferwelle einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10244746A1
Application number: DE2002144746
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dressel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Läuferwelle (1) einer elektrischen Maschine. In zumindest einem Abschnitt der Läuferwelle (1) weist diese einen Hohlraum (31) auf. In dem Hohlraum verläuft zumindest eine elektrische Leitung (5). Des weiteren weist der Hohlraum eine Füllung (3) auf, wobei die Füllung (3) ein verfestigendes Material ist. Durch die Verwendung der Füllung (3) ist der Verlauf der elektrischen Leitung innerhalb des Hohlraumes (31) der Läuferwelle (1) verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Läuferwelle einer elektrischen Maschine. Die Läuferwelle der elektrischen Maschine weist zumindest Abschnittsweise einen Hohlraum auf, wobei in dem Hohlraum zumindest eine elektrische Leitung verläuft.

Beispielsweise ist aus der Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 00/74206 A2 eine elektrischer Motor bekannt, welcher eine Hohlwelle aufweist, in der elektrische Leitungen verlaufen.

Die elektrischen Leitungen innerhalb der Läuferwelle sind mechanischen Belastungen unterworfen. Diese Belastungen rühren beispielsweise von einer Drehbewegung der Läuferwelle her. Hierbei sind insbesondere hohe Drehzahlen von Nachteil, da dies entsprechend hohe Fliehkräfte auf die elektrischen Leitungen innerhalb der Läuferwelle hervorrufen. Durch die auf eine elektrische Leitung wirkende Kraft, kann diese in Kontakt mit einem Kontaktpartner, wie z.B. einer Seitenwand des Hohlraumes kommen, so dass dies zu einer mechanischen Beschädigung der elektrischen Leitung führen kann. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn die elektrische Leitung eine Isolierung aufweist und die Isolierung beschädigt wird. Ein weiterer Nachteil der Verlegung zumindest einer elektrischen Leitung in einem Hohlraum einer Läuferwelle ist es, dass es durch die Position der elektrischen Leitung innerhalb der Läuferwelle zu einer Unwucht kommen kann. Auch die von einer oder mehreren elektrischen Leitungen hervorrufbare Induktionen in die Läuferwelle ist problematisch, da dies zu einer Erwärmung führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es den Verlauf zumindest einer elektrischen Leitung innerhalb eines Hohlraumes einer Läuferwelle derart zu verbessern, dass dies zu Lösung eines der obig beschriebenen Problemkreise beiträgt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Läuferwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß der Merkmale der Unteransprüche.

Eine Läuferwelle einer elektrischen Maschine, weist zumindest in einem Abschnitt der Läuferwelle einen Hohlraum auf. Innerhalb des Hohlraumes (31) verläuft eine oder mehrere elektrische Leitungen. Der Hohlraum weist weiterhin eine Füllung auf. Mit Hilfe dieser Füllung ist die elektrische Leitung bzw. sind die elektrischen Leitungen innerhalb des Hohlraumes positionierbar. Die elektrische Leitung dient beispielsweise zur Übertragung von Daten oder auch zur Übertragung elektrischer Leistung wie bei einem Schleifringläufer. Die Füllung ist vorteilhafter Weise ein sich verfestigendes Material. Dieses sich verfestigende Material füllt den Hohlraum entweder nur teilweise oder ganz aus. Durch die Füllung ist sowohl die elektrische Leitung innerhalb des Hohlraumes zumindest in Teilen positionierbar als auch sind die elektrischen Leitungen zueinander positionierbar. Die Füllung nimmt die bei einer Drehbewegung der Läuferwelle auftretenden mechanische Kräfte auf, wobei ohne diese Füllung diese mechanischen Kräfte unter Umständen zur Schädigung der elektrischen Leitung führen könnten. Dabei bezieht sich die Schädigung nicht alleine nur auf eine Schädigung eines elektrischen Leiters wie eines Kupferleiters, sondern auch auf eine Schädigung des den elektrischen Leiter umgebenden Isolierung. Unter Zuhilfenahme der Füllung ist die elektrische Leitung bzw. sind die elektrischen Leitungen innerhalb des Hohlraumes der Läuferwelle derart positionierbar, dass die Läuferwelle keine oder nur eine geringe Unwucht aufweist. Dies betrifft insbesondere den Vergleich mit nicht positionierten elektrischen Leitungen innerhalb einer Läuferwelle.

Das sich verfestigende Material, welches als Füllung verwendbar ist, ist beispielsweise ein schaumartiges Material. Ein derartiges schaumartiges Material ist in den Hohlraum derart einbringbar, dass die elektrischen Leitungen von diesem zumindest teilweise umgeben sind. Bezüglich der Wände des Höhlraumes sind die elektrischen Leitungen durch den Schaum fixiert. Weist der Schaum eine Volumenausdehnung auf, so ist dadurch eine auf die elektrischen Leitungen ausgeübte mechanische Kraft erzielbar, welche beispielsweise eine Fliehkraft bei einer Rotationsbewegung der Läuferwelle entgegenwirkt. Schäume sind beispielsweise aus dem Bereich des Hausbaus bekannt, wie zum Beispiel ein Polyurethan-Schauf, jedoch sind auch eine Vielzahl von andern Schäumen aus anderen technischen Bereichen bekannt, die erfindungsgemäß einsetzbar sind.

Neben einem Schaum ist als verfestigendes Material auch ein Vergussmaterial einsetzbar. Ein Beispiel für ein Vergussmaterial ist ein Harz.

Der Hohlraum der Läuferwelle hat beispielsweise eine zylinderartige Form. Die zylinderartige Form ist beispielsweise durch eine Bohrbearbeitung oder eine Fräsbearbeitung oder auch durch eine Drehbearbeitung erzielbar. Die Läuferwelle weist zwei Enden auf, wobei diese z.B. Stirnflächen ausbilden. In einer vorteilhaften Ausführung ist der Hohlraum zumindest zu einem Ende der Läuferwelle (1) hin offen. Der Hohlraum weist durch seine zylinderartige Form eine Achsmitte auf. Diese Achsmitte des Hohlraumes stimmt vorteilhaft mit einer Achsmitte der Läuferwelle überein, so dass eine Art Koaxialität vorliegt. Dies trägt zu einer reduzierten Unwucht der Läuferwelle bei. Tritt eine oder mehrere elektrische Leitungen durch die Öffnung des Hohlraumes auf der Stirnseite der Läuferwelle ein, so tritt die elektrische Leitung aus der Läuferwelle wieder durch eine Durchführung aus. Die Durchführung ist beispielsweise eine Bohrung, welche von der äußeren Oberflache der Läuferwelle zum Hohlraum geführt ist. Die Durchführung verläuft beispielsweise schräg zur Oberfläche der Läuferwelle oder auch senkrecht zur Oberfläche der Läuferwelle. Die Läuferwelle weist vorteilhafter Weise mehrere Durchführungen auf, insbesondere dann wenn mehrere elektrische Leitungen an unterschiedliche Positionen außerhalb der Läuferwelle zu führen sind. Die Durchführungen sind vorteilhafter Weise rotationssymmetrisch gleichmäßig über einen Radius der Läuferwelle verteilt.

Die Läuferwelle ist sowohl einteilig als auch mehrteilig ausführbar. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Teil der Läuferwelle eine Vollwelle, wohingegen ein anderer anschließender Teil der Läuferwelle eine Hohlwelle ist. Im Bereich des Überganges zwischen Hohlwelle und Vollwelle sind in einfacher Weise Durchführungen herstellbar.

Die Anzahl der elektrischen Leitungen innerhalb der Läuferwelle ist vom Anwendungsfall abhängig. So können ein, zwei oder mehrere elektrische Leitungen innerhalb der Läuferwelle im Hohlraum verlaufen.

Verlaufen mehrere elektrische Leitungen innerhalb des Hohlraumes, so sind die elektrischen Leitungen vorteilhafter Weise verdrillt. Mit Hilfe der Verdrillung ist eine höhere Steifigkeit der Leitungen erzielbar. Durch die höhere Steifigkeit der Leitungen ist die Position der elektrischen Leitungen vor dem Einbringen der Füllung besser einstellbar. Eine Verdrillung hat auch elektrische Vorteile. Durch die Verdrillung sind die elektrischen bzw. magnetischen Felder beeinflussbar. Mit Hilfe einer Verdrillung kann eine Induktion elektrischer Ströme innerhalb der Läuferwelle reduziert werden. Dadurch wärmt sich die Läuferwelle weniger stark auf. Eine Erwärmung der Läuferwelle ist nachteilig. Ist die Läuferwelle beispielsweise wärmetechnisch mit einem Lager verbunden, so gibt die Läuferwelle Wärme an das Lager ab. Eine Erhöhung der Temperatur des Lagers führt im Allgemeinen zu einer reduzierten Laufleistung des Lagers.

In vorteilhafter Weise trägt die Verwendung einer Füllung auch dazu bei die Wärme, die beispielsweise durch die elektrischen Leitungen selbst in diesen entsteht, wie z.B. durch den elektrischen Widerstand, nur in reduziertem Umfang an die Läuferwelle abzugeben. Leitet die verwendete Füllung wärme schlechter als Luft, so ist der Wärmeübergang von der elektrischen Leitung zur Läuferwelle und z.B. zu einem Lager reduziert. So ist ein Lager besser ausnutzbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Hohlraum ein Distanzierungselement zwischen der elektrischen Leitung bzw. den elektrischen Leitungen und der Oberfläche des Hohlraumes. Mit Hilfe eines oder mehrerer Distanzierungselementen ist die elektrische Leitung auch bereits vor einer Einbringung einer Füllung in eine geeignete Position bringbar. Die Positionierung ist dann durch die Füllung zusätzlich unterstützt bzw. gewährleistet.

Die Läuferwelle in einer der obig beschriebenen Ausgestaltungen ist vorteilhafter Weise bei einem Schleifringläufer einer elektrischen Maschine einsetzbar. Die Läuferwelle ist im ganzen als Hohlwelle oder nur in einem Teilbereich als Hohlwelle mit anschließender Vollwelle ausführbar.

Eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Läuferwelle ist bezüglich ihrer Unwucht, bzw. bezüglich des Schutzes der elektrischen Leitungen, bzw. auch bezüglich einer reduzierten Wärmeabgabe an die Läuferwelle verbesserbar.

Erfindungsgemäß ist es ermöglicht eine insbesondere mechanisch verbesserte elektrische Verbindung einer Läuferwicklung mit einem Schleifring durch die Läuferwelle hindurch zu schaffen. Dabei ist die elektrische Verbindung so ausführbar, dass die Läuferwelle durch Induktion nicht erwärmt wird, mechanische Kräfte die elektrischen Leitungen der elektrischen Verbindung schädigen und/oder eine Unwucht im Läufer entsteht. Die elektrischen Leitungen sind rotationssymmetrisch in einer Bohrung in der Läuferwelle anordenbar. Eine Versteifung der Anordnung erfolgt mit Isolierteilen in Form von Rohren und/oder einer Keil- oder Nierenform. Auch isolierte Massivkupferelemente sind zur Versteifung heranziehbar. Durch das Verdillen, Bandagieren und/oder die Verfüllung der Bohrung durch z.B. eine Aufschäumung, sind elektrische und/oder elektromechanische Anforderungen an die elektrische Verbindung von Läuferwicklung zu Schleifring in einfacher Weise erfüllbar. Die Fixierung der elektrischen Leitungen bzw. eines bandagierten Bündels elektrischer Leitungen erfolgt vorteilhaft im Zentrum der Wellenbohrung.

Nachfolgend zeigen Figuren Beispiele für Ausgestaltungen der Erfindung. Dabei zeigt:
1 eine längsseitige Schnittdarstellung einer Läuferwelle,
2 eine Schnittdarstellung einer Läuferwelle in Achsrichtung,
3 eine weitere längsseitige Schnittdarstellung einer Läuferwelle,
4 eine längsseitige Schnittdarstellung einer Läuferwelle, wobei Distanzierungselemente hintereinander angeordnet sind,
5 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Läuferwelle in Achsrichtung und
6 eine vergrößerte längsseitige Schnittdarstellung einer Läuferwelle.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt im Querschnitt einen Teil einer Läuferwelle 1 in Richtung einer Rotationsachse 37 der Läuferwelle 1, wobei durch eine Abbruchlinie 33 Teilbetrachtung kenntlich gemacht ist. In die Läuferwelle 1 sind drei elektrische Leitungen geführt, wobei nur zwei in der Darstellung sichtbar sind. Die elektrischen Leitungen weisen einen Kupferleiter 5, eine Leitungsisolierung 7 und darüber liegend eine Bandage 9 auf. Die Läuferwelle 1 weist eine kegelartige Öffnung 35 auf der einen dargestellten Stirnseite der Läufer welle 1 auf. Bei der dargestellten Läuferwelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine Welle eines Schleifringläufers. Die elektrischen Leitungen, welche aus der kegelartigen Öffnung 35 geführt sind, sind folglich die Wicklungsanschlüsse 15. Innerhalb des Hohlraumes der Läuferwelle 1, dessen Längsachse mit der Rotationsachse 37 zusammenfällt, sind die elektrischen Leitungen noch einmal gemeinsam bandagiert. Diese Bandagierung dient als Umfassung 17 aller drei elektrischer Leitungen. Die Darstellung zeigt sichtbar weiterhin zwei Distanzierungselemente 11. Diese Distanzierungselemente positionieren die umfassten elektrischen Leitungen. Die Läuferwelle 1 weist drei Durchführungen 23 auf, wobei lediglich eine dargestellt ist. Durch jede Durchführung 23 ist eine elektrische Leitung geführt. Um die elektrische Leitung vor einer Beschädigung zu bewahren befindet sich in der Durchführung vorteilhafter Weise ein mechanischer Schutz 21. Die elektrischen Leitungen sind innerhalb der Läuferwelle 1 insbesondere durch die Füllung 3 positioniert. Die Distanzierungselemente 11 sind insbesondere zur Vorpositionierung während einer Vormontage von Vorteil. Die Läuferwelle ist im Bereich der kegelförmigen Öffnung durch eine in der Figur gestrichelt dargestellte Endplatte 19 abgeschlossen. Die aus der Durchführung ausgeführte elektrische Leitung dient bei einem Schleifringläufer als Schleifringanschluss.
Die Darstellung gemäß 2 zeigt die Läuferwelle 1 nach 1 in einem Schnitt senkrecht zur Rotationsachse. Aus der 2 ist deutlich ersichtlich, dass drei elektrische Leitungen in der Läuferwelle 1 geführt sind, wobei zusätzlich zur Füllung 3 eine Positionierung durch drei Distanzierungselemente 11 erfolgt. Über drei in der 2 nicht dargestellte Durchführungen, sind die drei elektrischen Leitungen als Wicklungsanschlüsse um jeweils 120 Grad versetzt nach Außen geführt. Neben der Positioniereigenschaft ergibt sich durch die Füllung 3 auch eine thermische Beeinflussung der Läuferwelle 1.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt wie 1 den Längsschnitt der Läuferwelle 1. Die Läuferwelle weist allerdings einen Befüllungskanal 25 auf, der zur Einbringung der Füllung 3 dient. Im Fall der 1, wie auch in 3 ist die Füllung auch durch die kegelförmige Öffnung 35 einbringbar. Die Kegelform erleichtert, wie in 3 dargestellt, ein abbiegen der Schleifringanschlüsse 15.
Die Darstellung gemäß 4 zeigt in etwas vereinfachter Form wiederum einen Längsschnitt einer Läuferwelle. Bei großen axialen Längen des Hohlraumes 31 in Richtung der Rotationsachse 37 ist die Verwendung zweier axial hintereinander liegender Distanzierungselemente 11 und 12 vorteilhaft. Der Hohlraum 31 ist zur Aufnahme der Füllung 3 vorgesehen, wobei die Füllung z.B. ein Schaum ist. Die kegelförmige Öffnung ist entweder frei von der Füllung oder wird von dieser auch eingenommen. Die Verwendung axial in Richtung der Rotationsachse hintereinander liegender Distanzierungselemente 11, 12 hat den Vorteil, dass auch in einem langen Hohlraum elektrische Leitungen durch eine Füllung, welche ein schaumartiges Material ist oder auch eine Vergussmasse, vorab positionierbar sind. Im Bereich der kegelförmigen Öffnung liegende Distanzierungselemente 11 sind leicht durch eine Verkeilung innerhalb des Hohlraumes fixierbar. Diese Möglichkeit der Verkeilung ist bei dahinterliegenden Distanzierungselementen 12 nur eingeschränkt oder gar nicht gegeben. Insbesondere für derartige Fälle ist die Methodik der Verwendung einer Füllung durch ein sich verfestigendes Material von Vorteil. Durch die Verwendung einer Füllung innerhalb des Hohlraumes 31 sind auch Toleranzanforderungen an Distanzierungselementen 11, 12 reduzierbar. Durch die Füllung ist auch einer Verschmutzung des Hohlraumes vermeidbar.
Die Darstellung gemäß 5 zeigt eine etwas detailliertere Darstellung des Querschnitts der Läuferwelle gemäß 2. Dabei wird auch der Aufbau der elektrischen Leiter welche einen Kupferleiter 5, eine Leitungsisolierung 7 und eine Bandage 9 aufweisen im Querschnitt dargestellt. Weiterhin zeigt die Darstellung gemäß 5 einen mechanischen Schutz 21, welcher die elektrische Leitung innerhalb einer strichliniert dargestellten Durchführung 23 vor einer Beschädigung schützt.
Die Darstellung gemäß 6 zeigt im Ausschnitt einen Längsschnitt der Läuferwelle 1. Es ist ein mechanischer Schutz 21 dargestellt, welcher zwei Elemente aufweist, wobei ein Element noch in den Bereich der Füllung 3 ragt. Die Durchführung 23 ist an dem Ende, welches radial nach Außen gerichtet ist mit einem Dichtstoff 27 abgedeckt. Der Dichtstoff 27 schließt mit dem Wicklungsanschluss 13 ab. Die Füllung 3 erstreckt sich von einen Hohlraumboden 39 bis in den Bereich des Distanzierungselementes 11. Im Bereich des Distanzierungselementes 11 ist die Füllung 3 jedoch zeichnerisch nicht dargestellt. Die Füllung 3 befindet sich zwischen den Distanzierungselementen 11. Der Bereich der kegelförmigen Öffnung 35, wobei das Maß der Öffnung durch einen Öffnungswinkel 29 dargestellt ist, ist bis zum Distanzierungselement 11 frei von einer Füllung. Dadurch ist eine Positionierung des Schleifringanschlusses erleichtert.

Claims

Läuferwelle (1) einer elektrischen Maschine, wobei in zumindest einem Abschnitt die Läuferwelle (1) einen Hohlraum (31) aufweist und in dem Hohlraum (31) zumindest eine elektrische Leitung (5) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum eine Füllung (3) aufweist, wobei die Füllung (3) ein verfestigendes Material ist.
Läuferwelle (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigende Material ein schaumartiges Material ist.
Läuferwelle (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigende Material ein Vergussmaterial ist.
Läuferwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum eine zylinderartige Form hat, wobei der Hohlraum zumindest zu einem Ende der Läuferwelle (1) hin offen ist und weiterhin eine Durchführung (23) zu einer äußeren Oberfläche der Läuferwelle (1) aufweist.
Läuferwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (31) zumindest zwei elektrische Leitungen (5) verlaufen.
Läuferwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (5) verdrillt sind.
Läuferwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (31) zumindest ein Distanzierungselement (11, 12) zwischen der elektrischen Leitung (5) und der Oberfläche des Hohlraumes (31) ist.
Läuferwelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese bei einem Schleifringläufer einer elektrischen Maschine einsetzbar ist.
Elektrische Maschine, welche eine Läuferwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.