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Anordnung und Befestigung der Erregerwicklung im Polrad für große
mechanisch hoch beanspruchte elektrische Synchronmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf mechanisch sehr hoch beanspruchte elektrische Synchronmaschinen. Die mechanische
Festigkeit, also die Beanspruchbarkeit des Polrades durch die Fliehkräfte, begrenzt
oft eine Steigerung der elektrischen Leistung. Man muß daher die mechanischen Eigenschaften
des Polrades verbessern, um dann die elektrische Leistung vergrößern zu können.
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Es sind also die Abmessungen und damit die zu installierende Leistung
großer elektrischer Synchronmaschinen mit Einzelpolen durch die mechanische Beanspruchung
des Polrades, die mit Rücksicht auf die Festigkeit der Werkstoffe bestimmte Werte
nicht überschreiten darf, begrenzt. Die kritische Stelle in diesem Sinne ist sehr
häufig die Befestigung der Polschuhe an den Polkernen, die durch die Fliehkraft
des Polschuhgewichtes sowie die der Erregerwicklung außerordentlich hoch beansprucht
werden. Es gilt daher Wege zu finden, die eine höhere mechanische Belastung der
Verbindungsstelle zwischen Polschuh und Polkern erlauben, oder aber sogar vorzuschlagen,
auf eine besondere lösbare Befestigung dieser beiden Teile miteinander zu verzichten.
Diesem letztgenannten Vorschlag steht jedoch bei großen elektrischen Maschinen die
Aufbringung der Erregerspule auf den Polkern entgegen, die auf diesen aufgeschoben
und gegen die Fliehkräfte durch den Polschuh gehalten werden muß.
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Es ist bekannt, Polschuh und Polkern flächenmäßig aus einem Stück
herzustellen. Die Erregerspule muß dann vom Kern her auf den Pol aufgeschoben werden.
Der Pol wird dann an dem Jochkörper durch Hammerkopfansätze, Bolzen oder andere
bekannte Mittel befestigt. Diese Befestigungsmittel sind aber mechanisch mit der
Fliehkraft des ganzen Pols zusammen mit der der Erregerspule beansprucht. Auch hier
sind mechanisch sehr bald Grenzen gesetzt, die eine weitere Vergrößerung der elektrischen
Leistung verhindern.
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Bei anderen Anordnungen ist es bekannt, Erregerwicklungen vorher fertigzuwickeln
und dann deren Windungen einzeln über den Polschuh zu streifen. Dabei bestehen die
Windungen aus isoliertem Kupferband; sie sitzen auf einem Spulenrahmen auf, der
außerdem eine Isolation darstellt. Die Befestigungsart der Wicklung ist dabei relativ
kompliziert, da sie sich gegen die Polschuhe abstützt und außerdem durch ein Spannband
gehalten werden muß.
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Es ist ferner bei kleinen Maschinen, z. B. bei asynchron anlaufenden
Synchronmotoren, bekannt, die Läuferbleche insgesamt mit den Polen zu stanzen. Der
Läufer trägt eine Käfigwicklung in Nuten, wobei Fliehkraftbeanspruchungen zu vernachlässigen
sind.
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Es ist weiterhin bei Kleinmotoren, z. B. für Raumventilatoren, bekannt,
aus fertigungstechnischen Gründen die nicht rotierende Ständerwicklung wellenförmig
zwischen die Pole des Ständers einzulegen.
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Bei größeren Maschinen schlechthin, insbesondere aber bei den mit
hohen Drehzahlen rotierenden, hoch beanspruchten Polrädern großer Maschinen, ist
eine derartige Anordnung noch nicht bekanntgeworden, mit Ausnahme von Anordnungen
bei Mittelfrequenzmaschinen. Hierbei haben dann die wellenförmigen Wicklungen, die
dabei nicht als Erreger-, sondern als Kurzschluß-, Dämpfer- oder Käfigwicklung ausgebildet
sind, die zusätzliche Aufgabe der mechanischen Halterung und Distanzierung der von
ihnen umwickelten Dauermagnete.
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Handelt es sich jedoch nicht um Mittelfrequenzmaschinen, sondern um
Erregerwicklungen für Synchronmaschinen, dann sind die bekanntgewordenen Erregerwicklungen
im feststehenden Teil der Maschine angeordnet mit .dem Zweck, die Zwischenräume
zwischen den Polen vollständig mit leitendem Material auszufüllen, wobei außerdem
noch eine Isolation vorgesehen werden muß. Bei der vorliegenden Erfindung soll dagegen
der Zwischenraum als solcher erhalten bleiben, um unter anderem eine bessere Kühlung
zu ermöglichen und die Wicklung unisoliert auszubilden. Außerdem kann bei der bekannten
Anordnung überhaupt keine Beanspruchung durch Fliehkräfte auftreten; andererseits
ist deren Berücksichtigung wesentlicher Bestandteil der Anordnung nach der vorliegenden
Erfindung.
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In einem anderen Fall, wo im Prinzip dieselben Nachteile, wie oben
angedeutet, auftreten, kommt noch hinzu, daß der mäanderförmige Leiter als Dämpferwicklung
verwendet wird und schon deswegen
eng an den Polen anliegen muß;
deswegen wird er auch gleichzeitig zur Halterung und Distanzierung der relativ sehr
kleinen Pole verwendet.
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Es ist auch bekanntgeworden, die Wicklung direkt am Jochring zur Fliehkraftentlastung
des Polschuhs zu befestigen. Eine derartige Befestigung erfolgt aber zusätzlich
neben der Abstützung der Wicklung am Polschuh selbst, so daß ein völliges Freistellen
des Polschuhs von der Fliehkraftbelastung dabei nicht erfolgt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Polrad für große, mechanisch hoch
beanspruchte elektrische Synchronmaschinen, welches insgesamt einteilig, z. B. entweder
aus Vollkreisblechen oder -platten, geschichtet oder als Schmiedestück hergestellt
ist bzw. bei welchem jeweils Polschuh und Polkern eines Pols sowie ein segmentförmiges
Jochkranzteil ein einteiliges Blech oder eine einteilige Platte bilden und dessen
Erregerwicklung mit Abstand von den Polkernen angeordnet ist. Der Gegenstand der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Pollücke sowohl in bekannter
Weise symmetrisch mittig zu benachbarten Polen als auch in ebenfalls bekannter Weise
ohne Isolation im Abstand gegenüber den Polkernen geführte Erregerwicklung in der
Pollücke am Jochring und/oder an den benachbarten Polkernen, jedoch nicht am Polschuh,
sowie außerdem an den Stirnseiten in an sich bekannter Weise auf Preßplatten befestigt
ist.
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Dieser erfindungsgemäße Aufbau eines Polrades aus Blechschnitten,
die jeweils flächenmäßig einen kompletten Pol zusammen mit einem segmentförmigen
Jochkranzteil umfassen, bringt den Vorteil mit sich, daß die bisher übliche Befestigung
des Polschuhs am Polkern und dessen Befestigung am Jochkörper mittels besonderer
Befestigungselemente, wie Schrauben, Hammerköpfen, Schwalbenschwänzen oder Bolzen,
durch den mechanisch wesentlich höher belastbaren Übergangsquerschnitt zwischen
dem Polkern und dem ein gemeinsames Teil mit diesem bildenden Polschuh und Jochsegmentteil
ersetzt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die übergangsquerschnitte
zwischen dem Polkern einerseits und dem Polschuh und dem Jochring andererseits jetzt
nicht mehr durch die Fliehkraft der Erregerspule beansprucht werden, weil diese
Fliehkraft der Erregerspule von diesen Übergangsquerschnitten ferngehalten ist.
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Da der Polschuh innerhalb des erfindungsgemäß ausgebildeten Polrades
keine mechanische Funktion mehr zu übernehmen hat, sondern seine Abmessungen lediglich
aus der gewünschten Polbedeckung folgen, kann es in den Fällen, in denen das Polrad
ein möglichst großes Schwungmoment haben soll, zweckmäßig sein, auf eine ausgeprägte
Polschuhform ganz zu verzichten und den Pol als rechteckigen Zahn auszubilden.
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Das erfindungsgemäße Polrad kann ohne weiteres auch insgesamt einteilig,
z. B. entweder aus Blechen oder Platten oder als Schmiedestück, hergestellt sein.
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Die Erregerwicklung umgibt jeden der Polkerne entweder in konventioneller
Weise oder erstreckt sich in an sich bekannter Weise wellenförmig über den Umfang
des gesamten Polrades. Sie wird zweckmäßig durch Schrauben, die in der Mitte der
Pollücke in Balken oder Schwalbenschwanzleisten im Jochring und stirnseitig in den
massiven Preßringen an beiden Stirnseiten des Polrades eingeschraubt sind, gehalten.
Wenn die mechanische Beanspruchung es zuläßt, kann die Erregerwicklung, die symmetrisch
zu benachbarten Polen durch die Pollücken und entlang den Stirnseiten mit Abstand
von den Polkernen und ohne feste Isolation gegen diese geführt ist, nach einem weiteren
Erfindungsgedanken durch Schrauben an den beiden stirnseitigen massiven Ringen und
durch unmagnetische Brücken oder Klammern, die in Nuten zweier benachbarter Polkerne
eingreifen, an den Polkernen befestigt werden. Bei dieser Art der Befestigung stützt
sich die Erregerwicklung auf die fliehkraftmäßig symmetrisch beanspruchten Brücken
oder Klammern ab, die ihrerseits an benachbarten Polkernen befestigt sind. Der Übergangsquerschnitt
zwischen Polkern und Polschuh ist auch in diesem Fall frei von Belastungen, die
auf die Erregerwicklung zurückgehen. Dabei kann es besonders zweckmäßig sein, die
Erregerwicklung an den jeweils in einer Pollücke angeordneten unmagnetischen Brücken
oder Klammern durch Druckschrauben oder Keile abzustützen, die eine elastische Verspannung
zwischen der Erregerwicklung und den Brücken oder Klammern zur Folge haben.
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Da die Erregerwicklung nur noch gegen ihre Halterung elastisch isoliert
werden muß, nicht aber gegen die Pole, läßt sie sich besonders wirksam durch einen
Luftstrom kühlen, der in an sich bekannter Weise zwischen der Polkernwand und der
Erregerspule hindurchgeleitet wird. Die Kühlluft für die Erregerspule wird dabei
durch Schlitze dem Jochring zugeführt und strömt zu beiden Seiten der Erregerspule
in den Luftspaltraum. Die Schlitze ergeben sich durch das Einschichten von Blechen
kleinerer Abmessungen, wie später noch gezeigt werden wird.
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Die Erregerspule kann jedoch auf auf konventionelle Art hergestellt
sein, wobei also jeder Pol von einer ringförmigen Spule umgeben ist. Auch in diesem
Fall besteht ein 'Zwischenraum zwischen der Erregerspule und dem Polkern, da ja
die Erregerspule unabhängig von dem Pol am Jochring bzw. an den stirnseitig angeordneten
massiven Ringen befestigt ist, und der freie Raum zwischen dem Polkern und der Erregerspule
kann auch in diesem Fall für eine wirksame Kühlung der Erregerspule ausgenutzt werden.
Die Erregerspule wird so dimensioniert, daß sie nach dem Lösen der Halteklammern
oder Schrauben über den gesamten Pol geschoben und abgenommen werden kann.
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In den F i g. 1 bis 3 der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele konstruktiver
Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Polrades dargestellt.
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F i g. 1 gibt die Ansicht eines Polradsegmentes, F i g. 2 die Draufsicht
desselben vom Umfang her gesehen und F i g. 3 den Querschnitt einer Erregerspulenbefestigung
mittels eines Bügels wieder.
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Nach F i g. 1 bilden gemäß der Erfindung der Polkern 1 und der Polschuh
2 eines Pols mit dem anschließenden Jochringsegment 3 eine Einheit. Die so gestalteten
Blechlamellen werden vorteilhaft nach jeder Schichtreihe mittels des sogenannten
Lochschweißverfahrens zu einem festen Blechpaket vereinigt. Zu diesem Zweck erhält
die Hälfte der Blechlamellen Löcher 4, die über die gesamte Fläche verteilt sind,
während die andere Hälfte der Blechlamellen Löcher 5 erhält, die so über die Fläche
der Blechlamellen verteilt sind, daß nach dem Aufeinanderlegen zweier Blechlamellen
mit Löchern 4 und
Löchern 5 jeweils die Löcher
4 bzw. 5 der anderen Blechlamellen abgedeckt werden. Die Schweißnaht
wird dann entlang dem Umfang eines Loches 4 bzw. 5 gelegt.
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Dieses an sich bekannte Verfahren, das in der Anwendung auf lamellierte
Polräder neu ist, bedeutet einen besonderen Fortschritt im Hinblick auf die mechanische
Festigkeit des Polradkörpers, der die gemäß der Erfindung angeordnete Erregerwicklung
zu tragen hat. Durch eine derartige Verschweißung wird die Biegeeigenschwingungszahl
des Läuferkörpers erhöht und aus dem kritischen Drehzahlbereich herausgebracht.
Das Lochschweißverfahren begünstigt somit die Verwendung eines Polrades gemäß der
Erfindung in erheblicher Weise.
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In den Pollücken 6 sind jeweils Zuganker 7 durch einen
Schwalbenschwanz 8 im Jochring 9 verankert. Diese Zuganker 7 halten die aus
mehreren Lagen bestehende Erregerwicklung 10 zwischen zwei Isolierplatten
11 und 12. Die Zentrifugalkraft der Erregerwicklung 10 wird über Deckplatten
13 von den Muttern 14 auf den Zuganker 7 übertragen.
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Ein fabrikatorischer Vorteil ergibt sich beim Gegenstand der Erfindung
in der Weise, daß, da die Erregerwicklung nicht mehr am Polkern anliegt, die Bearbeitung
des Polkernes entfallen kann. So können die Umrisse des Pols beispielsweise aus
Platten ohne Nacharbeit durch Brennschneiden ausgeschnitten werden. Der erfindungsgemäß
ermöglichte große Abstand zwischen den Polkernen 1 und den Windungen der
Erregerwicklungen 10 kann dann zu einer wirksamen Kühlung .der Erregerwicklung
10 ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck werden im Jochring 9 radiale Luftführungskanäle
15 geschaffen, durch die Kühlluft vom Jochring 9 her in Richtung zum Polradumfang
durch die Zwischenräume 16 strömen kann, wie dies durch Pfleile 1.7 angedeutet
ist. Die radialen Luftführungskanäle 15 innerhalb des Jochringes 9 können
dadurch geschaffen werden, daß zwischen Blechlamellen, die ein vollständiges Jochringsegment
3 enthalten, jeweils eine oder mehrere Blechlamellen geschichtet werden,
deren Jochringsegment 3 auf einer Seite so verkürzt ist, wie dies durch die gestrichelten
Linien 18 wiedergegeben wird.
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F i g. 2 zeigt in einem Beispiel die Befestigung der Erregerwicklungen
10 und die zweckmäßige Aufteilung der Deckplatten 13, 19, 20 und
21. Die Erregerwicklung ist hier in dem Beispiel aus zwei wellenförmigen
Wicklungen gebildet, die gegensinnig mit den Lagen 10 a und 10 b zwischen
den Polen 22
durchgeführt sind. Die stirnseitigen Abschnitte der Erregerwicklung
10 sind an den Ringen 23 und 24
befestigt.
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In F i g. 3 ist eine Befestigungsweise der Erregerwicklung 10 in einer
Pollücke 25 dargestellt, die von derjenigen nach F i g. 1 abweicht. An Stelle eines
Zugankers 7 ist hier in Bügel 26 mit hakenförmigen Vorsprüngen 27
in entsprechende Nuten der benachbarten Polkerne 28 eingehängt worden, und
die notwendige Druckkraft auf die Deckplatte 13 der Erregerspule
10 wird durch Anziehen der Schraube 29
bzw. durch Keile erzeugt. Auch
damit ist für geeignete Fälle eine sichere Befestigung der Erregerspule
10
geschaffen. Die stirnseitige Befestigung der Erregerspule 10 erfolgt
auch in diesem Fall so, wie dies in F i g. 2 dargestellt wurde. Die Erreg--rspule
10 kann durch Mittenkanäle 34
zusätzlich gekühlt werden.
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Mit der Erfindung wird eine fliehkraftgünstige Bauform eines Polrades
einer mechanisch hoch beanspruchten großen elektrischen Synchronmaschine erreicht,
dessen neue Wicklungsanordnung gemeinsam mit dem konstruktiven Aufbau höchste Beanspruchungen
in bei diesen Bauformen bisher nicht bekannten Leistungsbereichen ermöglicht.