DE19513457A1

DE19513457A1 - Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE19513457A1
Application number: DE19513457A
Authority: DE
Inventors: Josef Schwanda; Hans Dr Voegele
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-04-08
Filing date: 1995-04-08
Publication date: 1996-10-10
Also published as: RU2174278C2; ATE196391T1; EP0736953A3; NO961251L; EP0736953A2; NO961251D0; CN1137700A; US5635785A; CN1065679C; EP0736953B1; BR9601274A; NO311319B1; CA2164561C; DE59605862D1; CA2164561A1; ES2152507T3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere Motor-Generator für Pumpspeicherwerke, mit einem auf einer Nabe angeordneten, in axialer und in Um fangsrichtung gesicherten Rotorkörper, der aus lamellierten Blechen aufgebaut und durch axial verlaufende Spannbolzen zu sammengehalten ist, mit Nuten am äußeren Umfang des Rotorkör pers, in welchen eine Rotorwicklung eingelegt und dort gegen Fliehkrafteinwirkung gehalten ist, wobei die aus dem Rotorkör per axial austretenden, den Wickelkopf bildenden Wicklungsen den durch einen Stützring aufweisende Abstützmittel gegen Fliehkrafteinwirkung gesichert sind, welcher Stützring zu gleich Preßplatte für den Rotorkörper ist.

Die Erfindung geht dabei aus von einem Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus dem Buch von Wiedemann/Kellenberger "Konstruktion elektrischer Maschinen", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1967, Seiten 377 bis 380, insbesondere Abb. 375 auf Seite 378, ergibt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Aus betriebstechnischen Gründen (optimaler Wirkungsgrad, Last regulierung im Pumpenbetrieb, Netzstabilität) gibt es einen wachsenden Bedarf an drehzahlvariablen Motor-Generatoren hauptsächlich für Pumpspeicherwerke. Derartige Maschinen wer den aus Kostengründen meist als doppelt gespeiste Schleifring läufer-Asynchronmaschine ausgeführt.

Bei solchen Maschinen sind der Rotor und dort insbesondere dessen Rotorwickelkopf extremen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Üblicherweise erfolgt bei Asynchron maschinen die Wickelkopfabstützung gegen Fliehkräfte mit Ban dagen aus vorgespanntem Stahldraht in Kombination mit einem massiven einteiligen Stahlring, der gleichzeitig Preßring für den geblechten Rotor ist (vgl. a.a.O, Abb. 375a auf Seite 378). Die Grenzen dieser Ausführung sind durch die aufwendigen Montagehilfsmittel, die Transportabmessungen und durch die Ge wichtslimitierung des Rotors gegeben. Für Rotoren für Wasser kraftmaschinen mit großen Dimensionen muß der Zusammenbau direkt auf einem Montageplatz im Kraftwerk erfolgen können. Darüber hinaus beeinträchtigen große massive Stahlringe die Durchströmung des Wickelkopfes und damit dessen Kühlung.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere Motor-Generator für Pump speicherwerke, zu schaffen, der ohne aufwendige Montage-Hilfs mittel einfach herzustellen ist, und eine allen Betriebsbean spruchungen standhaltende Abstützung der Wickelköpfe aufweist, die auch die Kühlung der Wickelköpfe nicht einschränkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Endblechen des Rotorkörpers Preßfinger angeordnet sind, daß der Stützring mindestens aus zwei von in Axialrichtung beabstandeten Ringen besteht, die sich an ihrem Innenumfang auf der Nabe abstützen, wobei die Ringe im achsnahen Abschnitt des Rotorkörpers zusammen mit den Preßfingern mit dem den Ro torkörper axial durchsetzenden ersten Zugbolzen zusammenge spannt sind, daß im achsferneren Abschnitt zweite Zugbolzen vorgesehen sind, welche nur die besagten Ringe axial durchset zen und die Ringe axial zusammenspannen, daß dritte, den Wickelkopf radial durchsetzende Zugbolzen vorgesehen sind, welche zumindest am Außenumfang des axial gesehen äußersten Ringes angreifen.

Nach einer ersten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind am Außenumfang aller Ringe eine Vielzahl in Umfangsrich tung verteilte, axial verlaufende, miteinander fluchtende, halbgeschlossene Nuten vorgesehen, in welche je ein mit radial verlaufenden Gewindebohrungen versehenes Lineal geschoben ist, in welche Gewindebohrungen die besagten dritten Zugbolzen ein geschraubt sind. Dies ergibt eine einfach herzustellende und sichere radiale Abstützung.

Vorteilhafterweise ist der den Preßfingern unmittelbar be nachbarte Ring von diesem distanziert, und die zweiten Zugbol zen weisen am rotorkörperseitigen Ende Schraubenmuttern auf, deren Höhe der besagten Distanz entsprechen. Auf diese Weise wird zusätzlich Preßdruck auf die Preßfinger erzeugt, der noch dadurch verbessert werden kann, wenn in Radialrichtung gesehen mindestens zwei zweite Zugbolzen vorgesehen sind und die Höhe der Muttern im achsnahen Abschnitt kleiner ist als im achsferneren Abschnitt. Auf diese Weise erfährt die Ringanord nung beim Vorspannen eine Stülpung. Die Stülpkraft wirkt als Preßkraft auf die Preßfinger bzw. auf den Flächenschwerpunkt des Rotorringes.

Unter Umständen kann es sich erweisen, daß die Ringanordnung für sich einen zu kleinen (wirksamen) Querschnitt hat, um al leine als Vorspannelement zu wirken. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, zur zusätzlichen Verspannung im achsferneren Abschnitt vierte Zugbolzen vorzusehen, die sowohl die Ringe als den Rotorkörper, nicht jedoch die Preßfinger axial durchsetzen, welche vierte Zugbolzen gegenüber dem Ro torkörper als auch gegenüber den Ringen elektrisch isoliert sind.

Die Ringanordnung wird mit Vorteil in ähnlicher Weise auf der Nabe axial und in Umfangsrichtung fixiert wie der Rotorkörper.

Der Rotorkörper und die Tragringanordnung werden so dimensio niert, daß sich beide im Betrieb radial gleichmäßig dehnen. Kleine eventuell auftretende Differenzdehnungen zwischen dem Rotorring und der Ringanordnung können vorteilhaft durch Ein legen von Wellfedern aus Isoliermaterial, die in den Nutgrund der Rotorwicklung eingesetzt werden, aufgenommen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläu tert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch den Rotor ei nes Motor-Generators;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Verbindungsstelle von Nabe und Rotorkörper der Maschine nach Fig. 1 längs deren Linie AA;

Fig. 3 eine perspektive Darstellung der Verbindungsstelle gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch das rechte Rotorende der Maschine nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Wickelkopf und die zuge hörige Abstützung gemäß Fig. 4 längs deren Linie BB;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Wickelkopf der Maschine;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch das rechte Rotorende analog Fig. 4 mit einem zusätzlichen isolierten Zugbolzen im achsferneren Abschnitt;

Fig. 8 einen Querschnitt durch den Wickelkopf und die zuge hörige Abstützung gemäß Fig. 7 längs deren Linie CC.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 der Zeichnung ist der Rotor eines Motor-Generators in stark schematischer Form dargestellt. Er umfaßt eine Rotor nabe 1 mit einem inneren Nabenteil 2, an den die Welle 3 einer nicht dargestellten Wasserturbine angeflanscht ist, und einen äußeren Nabenteil, der aus einer Vielzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Balken besteht und im weiteren der Ein fachheit halber mit Nabe 4 bezeichnet ist. Beide Nabenteile sind mittels Armen 5, vorzugsweise Schrägarmen, untereinander verbunden, die stirnseitig von Deckplatten 5a abgedeckt sind. Diese Deckplatte reicht nicht bis an den inneren Nabenteil. Im Betrieb der Maschine wird aufgrund der Ventilationswirkung Luft von außen in den Raum zwischen den Schrägarmen 5 und Deckplatten 5a angesaugt und durchströmt den am Außenumfang der Nabe 4 befestigten Rotorkörper 6. Er besteht aus segmen tierten Blechen 7, die mit den Rotorkörper 6 durchsetzenden Zugbolzen (vgl. z. B. Fig. 4, Position 8) zusammengepreßt sind. Der Rotorkörper 6 ist dabei in axial distanzierte Teilblech körper (in Fig. 1 nur angedeutet) unterteilt, die zwischen sich radiale Kühlschlitze freilassen, durch welche die Kühlluft nach außen in den Maschinenluftspalt strömen kann.

Die Befestigung des Rotorkörpers 6 auf der Nabe 4 erfolgt in bekannter Weise über eine Keilanordnung, wie sie in Fig. 2 und 3 veranschaulicht ist. Außen an der Nabe 4 sind erste axial verlaufende Nuten 9 mit Rechteckquerschnitt vorgesehen, die zweiten Nuten 10 ebenfalls mit Rechteckquerschnitt am Innenum fang des Rotorkörpers 6 gegenüberliegen. In die ersten Nuten ist ein Keil 11 mit T-förmigen Querschnitt eingelegt. Mittels Treibkeilen 12, 13, welche im eingetriebenen Zustand den Keil 11 zum einem Quader ergänzen, ist der Rotorkörper 6 in Um fangsrichtung an der Nabe 4 fixiert. Durch die Rechteckform der Keilanordnung ist gewährleistet, daß radiale Relativbewe gungen - seien sie temperatur- und/oder fliehkraftbedingt - zwischen Nabe 4 und Rotorkörper 6 möglich sind. Die Festlegung des Rotorkörpers 6 auf der Nabe 4 erfolgt an einem Nabenende durch einen Bund 14, am anderen Nabenende durch am Außenum fang der Nabe 4 eingehängte axial gesicherte Gegenplatten 15, die über den Umfang der Nabe 4 verteilt sind.

Am Außenumfang des Rotorkörpers 6 ist eine im Beispielsfall zweischichtige Rotorwicklung 16 in Nuten angeordnet und in diesen mittels Nutkeilen gehalten. Die aus dem Rotorkörper axial austretenden, den Wickelkopf 17 bildenden Wicklungsenden 16a sind in bekannter Weise mittels Ösen 18 elektrisch und mechanisch verbunden, wobei eine Öse 18 das Leiterende eines aus einer Nut austretenden Leiters der unteren Lage mit dem Leiterende aus einer entfernten Nut austretenden Leiters der oberen Lage verbindet (vgl. Fig. 6). Auch diese Ausbildung und elektrische Verschaltung im Wickelkopf ist zum Stand der Tech nik zu zählen und nicht Gegenstand der Erfindung.

Wie ein Blick auf den (nur teilweise dargestellten) Wickelkopf 17 erhellt, ist es zwingend erforderlich, den Wickelkopf gegen Fliehkrafteinwirkungen abzustützen. Nachdem - wie bereits ein leitend dargelegt wurde - Bandagen in Kombination mit massi ven Abstützringen, die gleichzeitig auch die Funktion einer Preßplatte übernehmen, nicht in Frage kommen, sieht nun die Erfindung vor, die Abstützung mit einer Ringanordnung zu be werkstelligen, die aus mehreren separaten Ringen 19, . . ., 24 be steht und im nachfolgenden mit Tragring bezeichnet wird. Die Ringe 25 bis 27 sind aus 2 bis 6 mm dicken Blechsegmenten in der Art des Rotorkörpers zusammengesetzt. Die Blechsegmente einer Lage sind dabei gegenüber den Segmenten der benachbar ten Lage in Umfangsrichtung versetzt. Die im Beispielsfall sechs Ringe sind mittel vorgespannter Zugbolzen 25, 26, 27 und Muttern 28 zu einem homogenen Tragring verpreßt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht sind die Zugbolzen 25-27 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt. Distanzstücke 29 in Gestalt von Rohr stücken zwischen den Ringen 19 und 20, 20 und 21, 21 und 22, 22 und 23 sowie 23 und 24 sorgen für eine Distanzierung. An stelle von Distanzrohren kann auch eine radial verlaufende Di stanzplatte , die von den drei Zugbolzen 25 bis 27 durchsetzt ist, verwendet werden. Auf diese Weise kann Kühlluft von der Nabe zum Wickelkopf 17 strömen.

Der Tragring wird als Ganzes auf die Nabe 4 aufgeschoben und in der selben Weise auf der Nabe 4 in Umfangsrichtung und in Axialrichtung fixiert, wie es im Zusammenhang mit der Befesti gung des Rotorkörpers 6 anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wurde.

Damit nun der Tragring seine erste Funktion (Pressen des Ro torkörpers 6) erfüllen kann, sind auf der Stirnfläche des letzten Blechs des Rotorkörpers 6 radial verlaufende Preßfin ger 30 angeordnet, z. B. mit diesem verschweißt. Diese Preß finger 30 reichen im achsfernen Bereich der Rotorkörpers zwi schen den benachbarten Wicklungsleitern 16 hindurch bis nahezu an das äußere Ende der Nutzähne 31 heran. Im achsnäheren Ab schnitt enden sie dicht vor den Preßbolzen 8 bzw. zwischen diesen hindurch bis zur Nabe (vgl. Fig. 5). Mit den den gesam ten Rotorkörper 6 durchsetzenden Zugbolzen 8 wird nun der Tragring an die Preßfinger 30 und damit auch den Rotorkörper 6 gepreßt. Die Anpreßkraft im achsnahen Bereich reicht hierzu völlig aus.

Um sicherzustellen, daß auch im achsferneren Bereich, also im Bereich der Zugbolzen 26 und vor allem dem radial am weitesten außen liegenden Zugbolzen 25 eine ausreichende Preßkraft auf den Rotorkörper 6 einwirken kann, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, die Höhe der den auf unterschiedlichen radialen Höhen liegenden Muttern 28 der Zugbolzen 25, 26 und 27 so zu bemessen, daß die radial außenliegenden Muttern höher sind als die radial innenliegenden Muttern, oder bei Verwendung von Muttern gleicher Höhe unterschiedliche Unterlagen (in Fig. 5 nicht ausdrücklich dargestellt) zu verwenden. Der Tragring ist mit den Zugbolzen 25 bis 27 definiert zusammengespannt. Er er fährt beim Verspannen mit den Zugbolzen 8 eine Stülpung. Die Stülpkraft wirkt als Preßkraft auf die Preßfinger 30 bzw. auf den Flächenschwerpunkt des Rotorkörpers.

Sollte es sich erweisen, daß der Tragring allein zu wenig Preßkraft auf die radial weiter außenliegenden Preßfinge rabschnitte auszuüben imstande ist, z. B. wenn er einen zu kleinen wirksamen Querschnitt hat, können gemäß Fig. 7 und 8 zusätzliche Zugbolzen 32 vorgesehen werden. Diese Durchsetzen die beiden Tragringe, d. h. alle sechs Ringe 19, . . ., 24 und den Rotorkörper, nicht jedoch die Preßfinger 30. Diese zusätzli chen Zugbolzen 32 sind im ganzen Bolzenschaft mit einer Isola tion 33 versehen, und auch die Verschraubung an den Stirnsei ten des Tragrings erfolgt unter Zwischenlage von Isolierschei ben 34. Ansonsten entspricht der Aufbau demjenigen nach Fig. 4 und 5.

Neben seiner Funktion als Preßring oder Preßplatte für den Rotorkörper erfüllt der Tragring, als die aus beabstandeten Ringen 19, . . ., 24 bestehende Ringanordnung die Funktion der Wickelkopfabstützung. Zu diesem Zweck sind am äußeren Umfang aller Ringe 19, . . ., 24 und über deren Umfang gleichmäßig ver teilt halbgeschlossene T-förmige Nuten 35 vorgesehen, die axial miteinander fluchten. In diese Nuten 35 sind Gewindeli neale 36 eingeschoben. Die Gewindebohrungen liegen dabei im Bereich der Ringe 19, . . ., 24. In die Gewindebohrungen der Gewin delineale 36 sind von radial außen her Bolzenschrauben 37 mit isolierenden Unterlagen 38 eingeschraubt, welche den Wickel kopf 17 durchsetzen. Die Anordnung und Verteilung dieser Bol zenschrauben 37 geht am besten aus Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 6 hervor, die eine Abwicklung des Wickelkopfes 17 verein facht darstellt. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß diese Bolzen schrauben 37 die durch den Wicklungsaufbau bedingten rauten förmigen Durchbrüche 39 im Wickelkopf 17 durchsetzen. Sie kön nen, müssen aber nicht mit einer Isolation im Schaftteil ver sehen sein. Zwischenlagen 40 und 41 aus Isoliermaterial, z. B. glasfaserverstärktem Kunstharz, zwischen den Schraubenlinealen 36 und den unteren Wicklungsleitern bzw. zwischen dem unteren und oberen Wicklungsleiter erlauben eine gleichmäßige Druck verteilung auf die Wicklungsleiter 16 und definiertes Verpan nen des Wickelkopfes 17 mit der Ringanordnung 19, . . ., 24, die allen Betriebsbeanspruchungen standhält, ohne daß die Kühl luftströmung durch den Wickelkopf 17 nennenswert beeinträch tigt wird.

Der Rotorkörper 6 und der Tragring 19, . . ., 24 werden so dimen sioniert, daß sich beide radial gleichmäßig dehnen. Kleine eventuell auftretende Differenzdehnungen zwischen dem Rotor körper 6 und dem Tragring können durch Federmittel aus Iso liermaterial, z. B. Wellfedern 42 aus glasfaserverstärktem Kunststoff, die in den Nutgrund der Wicklung 16 eingesetzt werden, aufgenommen werden.

Bezugszeichenliste

1 Rotornabe
2 innerer Nabenteil
3 Welle
4 äußerer Nabenteil
5 Arme
6 Rotorkörper
7 Blechsegmente von 6
8 erste Zugbolzen
9 erste Nuten in 4
10 zweite Nuten in 6
11 Keil mit T-Querschnitt
12, 13 Treibkeile
14 Bund an 4
15 Gegenplatte
16 Rotorwicklung
16a Leiterenden von 16
17 Rotorwickelkopf
18 Ösen
19-24 Ringe
25-27 Zugbolzen
28 Muttern
29 Distanzstücke
30 Preßfinger
31 Nutzähne
32 isolierte Zugbolzen
33 Isolierung von 32
34 Unterlagscheiben aus Isoliermaterial
35 halbgeschlossene Nuten in 19, . . ., 24
36 Gewindelineale
37 Bolzenschrauben
38 isolierende Unterlagen von 37
39 rautenförmige Durchbrüche in 17
40, 41 isolierende Zwischenlagen
42 Wellfedern aus Isoliermaterial

Claims

1. Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere Motor-Ge nerator für Pumpspeicherwerke, mit einem auf einer Nabe (4) angeordneten Rotorkörper (6), der aus lamellierten Blechen (7) aufgebaut und durch axial verlaufende Spann bolzen (8) zusammengehalten ist, mit Nuten am äußeren Umfang des Rotorkörpers, in welchen eine Rotorwicklung (16) eingelegt und dort gegen Fliehkrafteinwirkung gehal ten ist, wobei die aus dem Rotorkörper axial austreten den, den Wickelkopf (17) bildenden Wicklungsenden (16a) durch einen Stützring aufweisende Abstützmittel gegen Fliehkrafteinwirkung gesichert sind, welcher Stützring zugleich Preßplatte für den Rotorkörper ist, dadurch ge kennzeichnet, daß an den Endblechen des Rotorkörpers (6) Preßfinger (30) angeordnet sind, daß der Stützring aus mindestens zwei von in Axialrichtung beabstandeten Ringen (19, . . ., 24) besteht, die sich an ihrem Innenumfang auf der Nabe (4) abstützen, wobei die Ringe im achsnahen Ab schnitt des Rotorkörpers (6) zusammen mit den Preßfin gern (30 )mit dem den Rotorkörper axial durchsetzenden ersten Zugbolzen (8) zusammengespannt sind, daß im achs ferneren Abschnitt zweite Zugbolzen (25, 26, 27) vorgesehen sind, welche nur die besagten Ringe (19, . . ., 24) axial durchsetzen und die Ringe axial zusammenspannen, daß dritte, den Wickelkopf radial durchsetzende Zugbolzen (37) vorgesehen sind, welche zumindest am Außenumfang des axial gesehen äußerten Ringes (19, . . ., 24) angreifen.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang aller Ringe (19, . . ., 24) eine Vielzahl in Um fangsrichtung verteilte, axial verlaufende, miteinander fluchtende, halbgeschlossene Nuten (35) vorgesehen sind, in welche je ein mit radial verlaufenden Gewindebohrungen versehenes Lineal (36) geschoben ist, in welche Gewinde bohrungen die besagten dritten Zugbolzen (37) einge schraubt sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Preßfingern (30) unmittelbar benachbarte Ring (19) von diesem distanziert ist, und diese Distanz punktuell mit einem Distanzelement ausgefüllt ist, wobei vorzugsweise die den zweiten Zugbolzen (25, 26, 27) am ro torkörperseitigen Ende zugeordneten Schraubenmuttern (28), deren Höhe der besagten Distanz entspricht, als Di stanzelement dienen.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Radialrichtung gesehen mindestens zwei zweite Zugbolzen (25, 26, 27) vorgesehen sind, und daß zur Erzielung einer Vorspannung die Höhe der Distanzelemente, vorzugsweise die der Muttern (28), im achsnahen Abschnitt kleiner ist als im achsferneren Abschnitt.

5. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Verspannung im achsferneren Ab schnitt vierte Zugbolzen (32) vorgesehen sind, die sowohl die Ringe (19, . . ., 24) als auch den Rotorkörper (6), nicht jedoch die Preßfinger (30) axial durchsetzen, welche vierte Zugbolzen (32) gegenüber dem Rotorkörper (6) und auch gegenüber den Ringen (19, . . ., 24) elektrisch isoliert sind.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ringe (19, . . ., 24) auf der Nabe (4) in Axial- und in Umfangsrichtung gesichert sind.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen Rotorwicklung (16) und Nutgrund Federmittel (42) aus Isoliermaterial eingelegt sind.