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Dicht gekapselter flüssigkeitsdurchströmter Läufer für elektrische
Maschinen Die Erfindung betrifft einen dicht gekapselten flüssigkeitsdurchströmten
Läufer für elektrische Maschinen mit auf dem Umfang des Läuferkörpers im Abstand
voneinander angeordneten, zum Umfang hin offenen Längsschlitzen, in denen die elektrischen
Leiter und Durchlässe für eine Kühlflüssigkeit angeordnet sind, von denen letztere
ein Hindurchströmen der Kühlflüssigkeit in unmittelbarer Berührung mit den Leitern
gestatten.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung des Läufers
einer elektrischen Maschine bekannt, bei welcher der von Kühlflüssigkeit durchströmte
Läufer einschließlich der Wicklungsköpfe flüssigkeitsdicht abgekapselt ist. Die
Abkapselung wird dabei durch ein auf den Läufer aufgeschobenes Rohr erreicht, welches
an den beiden En-den durch auf die Welle des Läufers gestülpte Scheiben dicht abgeschlossen
ist. An Stelle eines Rohres können auch zwei aufgeschrumpfte Rohre verwendet werden,
um eine höhere Festigkeit zu erzielen. Die Kühlflüssigkeit strömt über eine in der
Läuferwelle vorgesehene Bohrung in den einen Wickelkopfraum und dann weiter in unmittelbarer
Berührung mit den Leitern der Wicklung durch den Läuferkörper in den anderen Wickelkopfraum
und von da aus dann über eine Bohrung in der Läuferwelle wieder nach außen.
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Es ist weiterhin ein genuteter Läufer für elektrische Maschinen bekannt,
bei welchem die offen hergestellten Wicklungsnuten sowie die eventuell in den Wicklungszähnen
vorhandenen offenen Luftkanäle durch übergeschobene Hohlzylinder geschlossen sind,
die quer zur Achsenrichtung Steifigkeit besitzen und zweckmäßig durch Erwärmung
od. dgl. Vorspannung erhalten. Dabei können mehrere magnetische und unmagnetische
Ringe übereinander verwendet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Läufer
der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, daß durch die Läuferkapselung
der magnetische Kraftfluß im wesentlichen kaum verzerrt wird, die Läuferkapselung
aber trotzdem eine so hohe Festigkeit aufweist, daß sie den auf sie von der Kühlflüssigkeit
und den Wicklungen ausgeübten Fliehkräften widerstehen kann. Darüber hinaus soll
die Läuferkapselung natürlich auch ohne großen Aufwand hergestellt werden können.
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Dies wird nun bei einem Läufer der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Läuferkapselung aus einem verhältnismäßig dünnen, über
die ganze Läuferlänge durchgehenden zylindrischen Innenteil aus magnetischem Werkstoff
besteht, der an den beiden Enden vollkommen flüssigkeitsdicht mit dem Laufkörper
verbunden und dessen Stärke so bemessen ist, daß ein Heraussickern von Kühlflüssigkeit
mit Sicherheit verhindert wird, und aus einem zylindrischen Außenteil aus verhältnismäßig
dicken, axial aneinandergefügten Ringen aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, die
den Innenteil im wesentlichen über dessen ganze Länge hin konzentrisch eng anliegend
umgeben, wobei der Außenteil genügend dick ist um den Innenteil gegen die darauf
durch die Kühlflüssigkeit und die Leiter ausgeübten Zentrifugalkräfte abzustützen,
so daß beide an ihrem Platz gehalten werden.
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Normalerweise bestehen massive Teile, die hohen Kräften ausgesetzt
sind und die sich leicht bearbeiten und verschweißen lassen, , aus magnetischem
Werkstoff, durch den jedoch die magnetischen Kraftlinien verzerrt werden. Verwendet
man nun an Stelle des magnetischen Werkstoffes eine nichtmagnetische Metallegierung
hoher Festigkeit, dann muß man im allgemeinen den Mangel in Kauf nehmen, daß diese
Legierungen schwierig zu bearbeiten und zu verschweißen sind. Die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Läuferkapselung ist nun deshalb besonders vorteilhaft, weil sie
die Möglichkeit bietet, das über den Läufer geschobene Rohr in zahlreiche sehr schmale
Ringe
zu unterteilen, ohne daß dabei der Nachteil in Kauf genommen werden müßte, daß man
die dabei entstehenden zahlreichen Fugen zwischen den Ringen flüssigkeitsdicht abschließen
müßte, was große Schwierigkeiten machen würde. Die Unterteilung des Rohres in zahlreiche
Ringe bietet aber auch den Vorteil, daß man nichtmagnetische, d. h. die Kraftlinien
des Magnetfeldes nicht verzerrende Werkstoffe weit höherer Festigkeit verwenden
kann als für Rohre oder Rohrabschnitte größerer axialer Länge. In den Zeichnungen
zeigt Fig. 1 einen axialen Schnitt eines Stromerzeugers mit einem Läufer
nach der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g.
1 in vergrößertem Maßstab.
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Gemäß F i g. 1 befindet sich der Ständer 1 des Stromerzeugers
in einem Gehäuse 2 mit Lagern 3 für den Läufer 4. Dieses Gehäuse 2 ist mit
einem Ansatz 2 a versehen, der die Zubehörteile des Läufers, z. B. die Schleifringe
u. dgl., die nicht dargestellt sind, umgibt. Die Wicklung des Ständers
1 enthält Stäbe 6, die unmittelbar mit Flüssigkeit gekühlt sind, die
durch Sammelleitungen 7 und Rohrleitungen 8
zu- und abgeführt wird.
Die Kühlflüssigkeit wird durch Pumpen im Kreislauf durch äußere Kühler und Filter
geleitet, die nicht dargestellt sind.
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Der Läufer 4 besteht aus einer Welle 4 a und aus einem Körper 4
b, der Längsschlitze 4 c zur Aufnahme der Wicklungen
9 hat. Diese erzeugen ein Magnetfeld, das die Ständerwicklungen
6 erregt.
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Die in den radialen Schlitzen 4 c des Läufers befindlichen
Teile 9 a der Läuferwicklung 9 erstrecken sich in der Längsrichtung
des Läuferkörpers 4b und bestehen aus einzelnen Stäben 11, die voneinander
durch Isolierschichten 12 und von dem Metall des Läufers durch aus Isolierstoff
bestehende dicke Auskleidungen 13 getrennt sind und an ihren Schmalseiten
bogenförmig profilierte Nuten 11 a haben. Diese Nuten bilden mit der Schlitzauskleidung
13
Durchlässe 14 für die Kühlflüssigkeit, die sich längs des Läufers 4 erstrecken.
Die Stäbe 11 bilden einen Stapel, der den Schlitz 4 c bis oben hin
ausfüllt. Dabei entfallen erfindungsgemäß die sonst üblichen Keile zum Abschluß
der Schlitze 4c.
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Die Läuferkapselung besteht aus einem Innenteil 15 und aus
einem Außenteil 16. Der Körper 4 b des Läufers ist von dem verhältnismäßig
dünnen, zylindrischen Innenteil 15 eingekapselt, der über die Enden des Läuferkörpers
4b ein erhebliches Stück hinausragt und daher auch die Wickelköpfe 9 b umgibt.
Am besten besteht dieser metallische, zylindrische Innenteil 15 aus einem
einzigen Stück, obgleich er aus kurzen, zylindrischen und mit den Rändern aneinandergeschweißten
und bearbeiteten Blechringen aufgebaut sein kann oder aus einem nichtmetallischen
Werkstoff herstellbar ist. Mit »dünn« ist dabei gemeint, daß die Wandstärke des
Innenteils 15 zu gering ist, um von sich aus den Flüssigkeitsdruck aufnehmen
zu können, den das im Läufer befindliche Kühlmittel und die Wicklungen ausüben,
wenn der Läufer mit seiner Betriebsdrehzahl umläuft. Es kommt beispielsweise für
den Innenteil eine Stärke in der Größenordnung von 3,2 mm in Betracht, wenn
er aus einem nicht legierten Stahlblech besteht. Bei dieser Wandstärke vermag der
Innenteil den Kräften standzuhalten, die beim Zusammenbau auftreten. Auch genügt
dann die Festigkeit des Innenteils, damit man an seinen Stirnseiten zusätzliche
Teile anschweißen kann, wie weiter unten beschrieben werden wird. Da der Innenteil
15 verhältnismäßig dünn ist, kann man ihn unbedenklich aus einem magnetischen
Werkstoff herstellen, ohne befürchten zu müssen, daß er die Kraftlinien des Magnetfeldes
wesentlich ablenkt. Denn wegen seiner geringen Stärke wird das Metall des Innenteils
schnell gesättigt. Würde man den zylindrischen Innenteil 15 so stark bemessen,
daß er von sich aus den Flüssigkeitsdruck aufnehmen und die Wicklungen in ihrer
Lage im Läufer bei Betriebsdrehzahlen festhalten kann, dann dürfte er nicht aus
einem magnetischen Werkstoff bestehen; denn anderenfalls würde er einen erheblichen
Teil des Magnetflusses aufnehmen und dadurch den Wirkungsgrad des Stromerzeugers
beeinträchtigen. Wird der zylindrische Innenteil 15 aber dünn genug gewählt,
dann beeinträchtigt er den Kraftlinienverlauf des Magnetflusses nicht.
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Der Innenteil 15 wird vom Außenteil umschlossen, der aus Ringen
16 aus einem nicht magnetischen Werkstoff hoher Festigkeit besteht. Diese
Ringe sind zylindrisch. Sie sind nicht miteinander verbunden, sondern lediglich
dicht nebeneinander angeordnet und dienen dem doppelten Zweck, den auf die Wandung
des Innenteils 15 wirkenden Flüssigkeitsdruck aufzunehmen und die Wicklungen
9 in ihrer Lage in den Läuferschlitzen zu halten.
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Besonders beachtenswert ist es, daß die Ringe 16
aus einem nichtmagnetischen
Metall bestehen; denn aus den oben angegebenen Gründen verbietet sich die Verwendung
eines magnetischen Werkstoffs für die Ringe wegen deren großer Dicke, die zur Aufnahme
der außerordentlich hohen Beanspruchungen erforderlich ist. Zwar könnte man austenitische
Stahllegierungen für die Ringe verwenden; vorzuziehen ist jedoch Titan oder eine
Legierung dieses Metalls. Diese nichtmetallischen Legierungen lassen sich bekanntlich
nur schwer schweißen oder sonstwie verbinden. Infolge der Anordnung des dünnen zylindrischen
Innenteils 15 kann man nun auf eine Verbindung der Ringe 16 untereinander
verzichten.
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Titan eignet sich wegen seines niedrigen spezifischen Gewichts, das
zwischen denjenigen von Stahl und Aluminium liegt, besonders für die Ringe
16.
Denn diese werden nicht nur durch die Fliehkräfte der Wicklungsstäbe
11 und durch den Flüssigkeitsdruck belastet; sie müssen vielmehr zusätzlich
die Zugspannungen aufnehmen, die beim Umlauf mit hoher Drehzahl unter dem Einfluß
der Fliehkraft durch ihr eigenes Gewicht erzeugt werden. Diese von den Ringen selbst
erzeugten Zugspannungen bilden einen erheblichen Anteil der Gesamtbeanspruchungen
der Ringe. Da nun das Gewicht von Titan erheblich niedriger als dasjenige von Stahl
ist, verringern sich die durch die Ringe selbst erzeugten Zugspannungen und somit
die Gesamtbeanspruchungen.
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Zwar überschreitet die Stärke der Ringe 16 diejenige des Innenteils
15 sehr erheblich; doch hängt die Stärke der Ringe in gewissem Umfange von
der Art der Kühlflüssigkeit und der Wicklung des Läufers ab. Hat dieser beispielsweise
einen Druchmesser von 1000 mm und läuft er mit 3600 Umdrehungen
je Minute um, so ergibt sich bei Verwendung von Kupferwicklungen des Läufers
und bei Verwendung von Titan für die Ringe eine Stärke der Ringe in der Größenordnung
von 50 mm. Indessen richtet sich diese Stärke nach der Art der Läuferwicklungen.
Bestehen
diese aus Aluminium, so ergibt sich eine geringere Stärke der Ringe. Die Wahl der
richtigen Stärke von Fall zu Fall bietet dem Fachmann keine Schwierigkeiten.
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An seinen Enden bildet der Läufer Schultern 4 1,
an denen zylindrische
Ringe 17 mit ihren inneren Kanten angeschweißt sind. Diese Ringe
17 haben einen größeren Durchmesser als die Welle 4 a, und sie reichen etwa
ebensoweit, wie der zylindrische Innenteil 15 über die Enden des Läuferkörpers
4 b
hinausragt. Die äußeren Kanten des zylindrischen Innenteils
15 und der Ringe 17 sind an den äußeren und inneren Rändern einer
ringförmigen Scheibe 18
angeschweißt, so daß an jedem Ende des Läufers eine
abgeschlossene Kammer 19 von Ringgestalt entsteht, die dem Zweck dient, die
Wickelköpfe 9 b
aufzunehmen. Der zylin-drische Ring 17 umgibt
die Welle 4a mit einem Spielraum 20. Die letzten Ringe 16a auf jedem Ende des Läufers
ragen über die Enden des zylindrischen Innenteils 15 hinaus und sind auf
einer massiven Ringscheibe 21 aufgeschrumpft, deren innere Kante die Welle 4 a mit
einem Spielraum 22 umgibt.
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Die Spielräume 20 und 22 sind vorgesehen, damit der zylindrische Innenteil
15 und die Ringe 16 nicht durch die Welle 4 a zusätzlich belastet
werden, wenn sich diese Welle unter dem Gewicht des Läufers durchbiegt.
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Der Zuführung des flüssigen Kühlmittels dient ein ortsfestes Rohr
24, das bei 24 a an dem Ansatz 2 a
des Ständergehäuses abgedichtet ist und
sich mit Spielraum in die Bohrung 4 d der Welle hineinerstreckt. Dieses
Rohr leitet das flüssige Kühlmittel radialen Bohrungen 4 e der Welle zu.
Der Abfüh-
rung des Kühlmittels dient eine am anderen Ende der Maschine vorgesehene
axiale Bohrung 4f der Welle. Dieser wird das Kühlmittel durch radiale Bohrungen
4g der Welle zugeleitet. Dem Austritt des Kühlmittels dienen weiter radiale
Bohrungen 4 h
der Welle. Durch diese gelangt das Kühlmittel in einen nicht
mit umlaufenden, die Welle umgebenden Sammelring 25 und von dort zu einer
Abflußleitung 26. Die radialen Wellenbohrungen 4h sind mit Drosseln
27 ausgerüstet, welche die Geschwindigkeit des Abflusses zum Sammelring
25 bestimmen. Nach Abfluß aus der Leitung 26 wird das Kühlmittel gekühlt,
gefiltert und dann wieder mit Hilfe von Pumpen dem Einlaßrohr 24 zugeleitet. Bei
den Kühlern, Filtern und Pumpen, die nicht näher dargestellt sind, kann es sich
um dieselben handeln, die dem Zweck dienen, das Kühlmittel im Kreislauf durch die
Ständerwicklungen 6 zu schicken. Auch läßt sich zum Kühlen des Ständers und
des Läufers dasselbe Kühlmittel verwenden.
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Das durch das Rohr 24 eintretende Kühlmittel gelangt von den radialen
Wellenbohrungen 4 e in die Kammer 19. Die in dieser befindlichen Wickelköpfe
sind vollständig in der Flüssigkeit eingetaucht und werden daher durch unmittelbare
Umspülung mit dem Kühlmittel gekühlt. Von der Kammer 19 aus fließt das Kühlmittel
durch die Längskanäle 14, die von den Leiterstäben 11 gebildet werden. Dabei
nimmt das Kühlmittel zusätzlich die Wärme auf, die in den Wicklungsabschnitten
9 b innerhalb der Läuferschlitze entsteht. Nachdem die Kühlflüssigkeit den
Läuferkörper 4 b der Länge nach durchflossen hat, umspült sie die
Wickelköpfe 9 b in der Kammer 19
am anderen Ende des Läufers
und tritt dann durch die radialen Wellenbohrungen 4g, die Längsbohrung 4
f und die radialen Bohrungen 4 h in die Abflußleitung 26 aus.
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Die auf die Flüssigkeit wirkende Fliehkraft hat die nachteilige Wirkung,
das scheinbare spezifische Gewicht der Flüssigkeit außerordentlich zu Vera größern.
Infolgedessen übt die Flüssigkeit einen entsprechend hohen gleichmäßigen Druck auf
den zylindrischen Innentell 15 aus, der zusammen mit den Ringen
17 und den Scheiben 18 eine den Läufern körper 4 b umgebende
Kapsel, die jeden Austritt von Flüssigkeit verhindert. Da diese Kapsel aber verhältnismäßig
schwach ist, vermag sie die von der Flüssigkeit unter dem Einfluß der Fliehkraft
ausgeübten Kräfte nicht aufzunehmen. Diese Aufnahme der Kräfte erfolgt viehnehr
durch die schweren Ringe 16. Diese brauchen nicht abdichtend aneinander anzuschließen,
sofern sie nur dicht nebeneinander angeordnet sind, um die Kapsel über ihre ganze
Länge hin abzustützen.
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Unter dem Einfluß der Fliehkraft suchen auch die Läuferwicklungen
9 nach außen zu fliegen. Die in den Läuferschlitzen befindlichen Abschnitte
9a und die Wickelköpfe 9 b der Wicklung drücken daher mit hoher Kraft
von innen auf das zylindrische Innengehäuse 15. Die Ringe 16 dienen
daher zusätzlich dem Zweck, die Wickelköpfe 9 b in ihrer Lage zu sichern
und zu verhindern, daß die in den Läuferschlitzen befindlichen Abschnitte 9a der
Wicklung aus den Schlitzen 4c heraustreten. Die Aufgabe, den Läufer flüssigkeitsdicht
einzukapseln, wird also vom zylindrischen Innengehäuse15 zusammen mit den Ringen
17 und 18 übernommen, während die Aufgabe, die von der Flüssigkeit
und den Wicklungen ausgeübten Fliehkräfte aufzunehmen, durch die nichtmagnetischen
Ringe16 übernommen wird.
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Da das zylindrische Innengehäuse 15 nur dünn ist, beeinflußt
es den Verlauf der magnetischen Kraftlinie nicht merklich. Es kann daher aus einem
beliebigen Werkstoff bestehen, der sich leicht bearbeiten und verschweißen oder
verlöten läßt, ohne daß man bei der Werkstoffwahl auf die magnetischen Eigenschaften
Rücksicht nehmen müßte. Hingegen empfiehlt es sich, die Ringe 16 aus nichtmagnetischen
Werkstoffen herzustellen, die im allgemeinen schwieriger zu bearbeiten und zu verschweißen
oder verlöten sind, wie z. B. austenitische Stähle oder Titan. Da die Ringe
16 aus nichtmagnetischem Stoff bestehen, kann man sie so dick bemessen, wie
es zur Aufnahme der Kräfte erforderlich wird, ohne befürchten zu müssen, daß das
von den Wicklungen 9
des Läufers 4 gebildete Magnetfeld beeinträchtigt würde.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Bauart liegt darin, daß man die Flanken der
Läuferschlitze nicht mit schwalbenschwanzförmig profilierten Nuten zur Aufnahme
der üblichen Keile zu versehen braucht und sich daher die Fertigungskosten verringern.
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Besondere Bedeutung kommt dem Umstand zu, daß die die Kammern
19 für die Entwindungen bildenden Ringe die Welle 4 a des Läufers
mit Spielraum umgeben. Dieser Spielraum 20, 22 zwischen der Welle und den Ringen
17 und 21 ermöglicht es der Welle 4a, sich durchzubiegen, ohne daß dadurch
die von den Ringen 16 aufzunehmenden Kräfte erhöht werden und daß die die
Flüssigkeit enthaltende Kammer 19 beeinflußt wird.
Am besten
verwendet man zum Kühlen dieelektrische Flüssigkeiten, um die Gefahr etwaiger Kurzschlüsse
zu verringern. Als Beispiel hierfür seien Transformatorenöle oder Wasser von hoher
Reinheit erwähnt. Auch darf die Flüssigkeit nur ein niedriges spezifisches Gewicht
haben, damit sie die Ringe 16
möglichst wenig belastet. Schließlich ist noch
erwünscht, daß die Flüssigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ein hohes spezifisches
Wärmespeichervermögen aufweist.