DE1965355B2 - Elektrische maschine in scheibenbauweise - Google Patents

Description

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gnetflusses ohne scharfe Umlenkung zwischen radia- Ständerrippen bestehendes Kanalsystem vorgesehen

ler und axialer Richtung und somit unter geringer sein. Die radial verlaufenden Rippen verbessern dann

Streuverlusten erreicht. _den magnetischen Kreis der Maschine dadurch, daß

Ein nach der Erfindung ausgelegter Generator ist sie den magnetischen Querschnitt der Ständerjoche

bei der erwähnten Drehgeschwindigkeit und der er- 5 vergrößern.

wannten Leistung etwa 280 kg schwer. Em Leistuogs- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgewicht von 2000/280 kW pro kg wurde bei Drehge- genden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es schwjüdigkeiten von 20000 U/min bisher noch von zeigt

keiner bekannten elektrischen Maschine erreicht Die F i g. 1 eine erste Ausführungsfonn der erfindungs-

erfindungsgemäße Maschine ist insbesondere zur Ver- io gemäßen Maschine im Längsschnitt,

wendung als Generator, beispielsweise zur direkten Fig. 2 eine teilweise Ansicht des Ständers der Ma-

Ankupplung an eine Turbine, geeignet. Da ein aus schine gemäß Fig. 1, von den Luftspalten aus gese-

Turbine und Generator bestehendes Aggregat haupt- hen,

sächlich für den mobilen Einsatz vorgesehen ist, sind Fig. 3 eine teilweise Ansicht des Läufers der Madie räumlich und gewichtsmäßigen Vorteile von sehr 15 schine gemäß Fig. 1, von den Luftspalten aus gesegroßem Nutzen. Die neue Maschir-ϊ kann jedoch auch hen,

als asynchroner Motor betrieben werden. Diese Fig. 4 eine teilweise Ansicht eines Ständers mit abEigenschaft kann beispielsweise zum schnellen Hoch- gewandelter Ausführung der Wechselstromwicklung, laufen in die Nähe der Nenndrehzahl verwendet wer- von den Luftspalten her gesehen,
d^en- no F i g. 5 eine teilweise Ansicht einer Kühlrippenan-

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch- Ordnung auf der Außenseite eines Ständers,

setzt der Magnetfluß nacheinander die beiden aktiven Fig. 6 eine zweite Ausführungsfonn der erfin-

Luftspalte und die beiden Hilfsluftspalte und fließt in dungsgemäßen Maschine im Längsschnitt,

radialer Richtung hauptsächlich über die den aktiven Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Maschine. Der

Luftspalten abgewandten Joche der Ständer. Der Ma- 25 strichpunktiert angedeutete Erregerfluß verläuft vom

gnetfluß durchsetzt also nacheinander die beiden akti- äußeren, im Bereich der aktiven Luftspalte liegenden

ven Luftspalte und die beiden HilfsluftspaKe in einem Rand 20 der Läuferscheibe 11 über die Rippen 27

einzigen Magnetkreis, ohne in radialer Richtung (vgl. die F i g. 3), durch die lamellierten Ständerjoch-

durch den Läufer geleitet zu werden. Hierdurch kann ringe 15, 16, über die Joche der Ständer 21, 22, durch

zugelassen werden, daß sich der Läufer entsprechend 30 die Hilfsluftspalte 23, 24 und schließt sich im für

seiner Ausbildung als Scheibe gleicher Festigkeit zu höchste Drehgeschwindigkeiten ausgebildeten Naben-

seinem äußeren Umfang hin stark verjüngt, ohne daß teil 29 des insgesamt annähernd als Körper gleicher

dort infolge eines radialen Magnetflusses eine Sätti- Festigkeit ausgebildeten, geschnitten dargestellten

gung auftritt. Auch wird eine Umlenkung des Magnet- Grundkörpers der Läuferscheibe 11. Die Lagerung

flusses aus der radialen Richtung im Läufer in die 35 der Läuferscheibe 11 kann an den Ansätzen erfolgen,

axiale Richtung in den aktiven Luftspalten vermieden, Am äußeren Rand der Ständer 21, 22 sind Verbin-

die eine starke Streuung zur Folge hätte. dungselemente 26 und ein vorzugsweise unmagneti-

Die Erregerwicklungen sind vorzugsweise in der sierbarer Zwischenring 25 zum Auffangen der magneradialen Höhe der radial inneren Wickelköpfe der tischen Zugkräfte angeordnet. Um einen gleichmäßi-Wechselstromwicklung angeordnet, wodurch ein 40 gen Hilfsluftspalt zu erhalten, sind die Ständerjoche kompakter Aufbau gefördert wird. 21, 22 in diesem Bereich der Läuferscheibe 11 form-Die Flächen der Hilfsluftspalte sind vorzugsweise mäßig angepaßt. Bei Verwendung hochwertiger Lager jeweils zumindest annähernd so groß wie die Summe für die Läuferscheibe 11 ist es möglich, sehr kleine der einem aktiven Luftspalt zugekehrten Oberflächen Hilfsluftspalte zugunsten einer relativ kleinen Ampereder Zähne des Läufers. Eine derartig große Bemes- 45 Windungszahl der Erregerwicklung vorzusehen,
sung der Hilfsluftspalte ist bei der Maschine gemäß Fig. 2 zeigt eine Ansicht auf die Luftspaltfläche der Erfindung in besonders einfacher Weise möglich. der Ständerscheibe 22. Hier sind der schematische Es werden hierdurch ein geringer magnetischer Verlauf einer einfachen Wechselstromwicklung 13 Widerstand der Hilfsluftspalte und damit eine geringe mit den davorliegenden Streuspalten 30 (vgl. die Erregerverlustlcislung erzielt. 50 Fig.4), der vorzugsweise lameliierte Ständerjochring

Trotz der gewölbten Form des Läufers können die 15, die Erregerwicklung 19, die Hilfsluftspaltfläche 24

aktiven Luftspalte eben sein, wenn die gleiche Festig- und die Verbindungselemente 26 erkennbar. Der von

keil des Läufers durch entsprechende Bemessung der der Erregerwicklung 19 erzeugte magnetische Fluß ist

Tiefe der Läufernuten gewährleistet ist. Die Tiefe der strichpunktiert eingezeichnet. Das Symbol im aktiven Läufernuten nimmt dann zum äußeren Umfang in an 55 Luftspalt deutet den axialen Austritt des magneti-

sich bekannter Weise zu, was für das elektrische Ver- sehen Flusses an.

halten der Maschine von Vorteil ist. In F i g. 3 ist eine Ansicht der Stirnseite des Läufers

Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten kön- 11 gezeigt, die der in F i g. 2 dargestellten Stirnseite

nen die Oberflächen des Läufers und/oder der Stan- des Ständers 22 zugekehrt ist. Weiter sind die Rippen der im Bereich der aktiven Luftspalte aus einem nie- 60 27 und die dazwischenliegenden Nuten 17 im aktiven

drige elektrische und magnetische Verluste erzeugen- Luftspaltbereich gezeigt. Der für höchste Drehge-

den ferritischen Material bestehen. Zum gleichen schwindigkeiten ausgebildete Läufer 11 weist einen

Zwecke ist es ebenfalls möglich, daß die Ständer und sowohl im Bereich des Hilfsluftspalts 24, d. h. in dem

gegebenenfalls der Läufer Teile aufweisen, in denen Nabenteil 29, als auch in dem äußeren Scheibenrand der Magnetfluß in vielen parallelverlaufenden, ge- 65 20 etwa als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildeten,

trennten Bahnen fließt. die Zähne 27 tragenden Grundkörper auf, dessen Ge-

Zum Zwecke der Kühlung kann ein aus hauptsäch- stalt im Bereich des äußeren Scheibenrands am besten

Hch radial verlaufenden, magnetisch leitfähigen aus F i g. 6, erkennbar ist.

Fig.4 zeigt eine dreiphasige ■Wechselstromwicklung 13. Die Bezugszeichen entsprechen denen von Fig. 2.

In F i g. 5 und 6 sind Kühlmöglichkeiten der Maschine gezeigt. Da trotz des geringen Gewichts der erfindungsgemäßen Maschine eine relativ große elektrische Leistung erzeugt wird, kann es notwendig werden, die elektrisch aktiven Teile besonders intensiv zu kühlen. Zu diesem Zweck wird ein von der Läuferscheibe 11 erzeugter und im Luftspalt erwärmter Luftstrom (Pfeilrichtung in F i g. 6) über ein Kanalsystem 51 am Rücken der Ständerscheibe 22 zurückgekühlt. Zur Erzielung einer wirkungsvollen Rückkühlung der Luft und Direktkühlung des Ständers ist ein System von an der Außenseite des Ständerjoches angeformten Rippen 52, 57, 58 vorgesehen, die mindestens einen mäanderförmigen Kühlmittelkanal bilden und das flüssige Kühlmedium aufnehmen und auf Grund der großen radialen Höhe der Rippen 52 auf einem langen Weg rund um die Ständerscheibe 22 leiten. Die radial verlaufenden Rippen 52 können für den Rückschluß des magnetischen Flusses mitbenutzt werden. Somit kann der massive Rückschlußteil des Ständerjoches entsprechend weniger stark bemessen werden. Ein ringförmiger Abschlußteil 54 dichtet die Ständerrückseite ab und arbeitet als Wärmeaustauscher. Die rückgekühlte Luft kann dann durch öffnungen 55 zur Erregerwicklung 19 geleitet werden, um diese und die Wechselstromwicklung 13 und den Läufer 11 sowie die Luftspaltfläche des Ständerjochringes 15 zu kühlen. Der Luftrückschluß kann durch

ίο die Kanäle 56 erfolgen. Die F i g. 6 zeigt des weiteren die Unterbringungsmöglichkeit der Lagerstelle 59.

Die in F i g. 5 dargestellte Kühlrippenanordnung unterscheidet sich von derjenigen der bei der Maschine gemäß F i g. 6 vorgesehenen dadurch, daß zwi-

T5 sehen den inneren und äußeren Rippen 57, 58 weitere Rippen 53 liegen, wodurch zwei mäanderförmige Kühlmittelkanäle gebildet sind. Diese können zur Erzielung einer gleichmäßigen Kühlung in Gegenrichtung von einem Kühlmittel durchströmt sein. Auch in

ao diesem Fall sind die radial verlaufenden Teile der Rippen 53 für den Rückschluß des magnetischen Flusses mitbenutzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Ma- Patentanspriiche: schine, insbesondere einen Generator, in Scheibenbauweise mit zwei Ständern und einem Läufer, zwei in

1. Elektrische Maschine, insbesondere Genera- axialer Richtung vom Magnetfluß durchsetzten aktitor, in Scheibenbauweise mit zwei Ständern und 5 ven Luftspalten zwischen jeweils einem Ständer und einem Läufer, zwei in axialer Richtung vom Ma- dem Läufer, im Läufer vorgesehenen Mitteln zur Ergnetfluß durchsetzten aktiven Luftspalten zwi- zielung von Flußänderungen in den aktiven Luftspalschen jeweils einem Ständer und dem Läufer, im ten, m den Ständern etwa radial verlaufenden Wech-Läufer vorgesehenen Mitteln zur Erzielung von selstromwicklungen, zwei radial innerhalb des Be-Flußänderungen in den aktiven Luftspalten, in io reichs der aktiven Luftspalte zwischen den Ständern den Ständern etwa radial verlaufenden Wechsel- und dem Läufer gebildeten Hilfsluftspalten und zwei Stromwicklungen, zwei radial innerhalb des Be- in den Ständern zwischen den Bereichen der aktiven reichs der -aktiven Luftspalte zwischen den Stan- Luftspalte und der Hilfsluftspalte angeordneten, ringdern und dem Läufer gebildeten Hüfsluftspalteo förmigen Erregerwicklungen.

und zwei in den Ständern zwischen den Bereichen 15 Eine solche Maschine ist aus der USA.-

der aktiven Luftspalte und der Hilfsluftspalte an- Patentschrift 3 261 998 bekannt. Diese Maschine ist

geordneten, ringförmigen Erregerwicklungen, nur für geringe Drehgeschwindigkeiten und Leistun-

dadurch gekennzeichnet, daß der Lau- gen geeignet, da der Läufer mehrteilig und in seinem

fer (11) als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildet Nabenteil nicht verstärkt ausgebildet ist.

ist, derart, daß an jeder Stelle im Läufer annä- 20 Es sind auch Generatoren in Scheibenbauweise für

hemd gleiche Fliehkraftbeanspruchungen herr- große Drehgeschwindigkeiten bekannt, deren Läufer

sehen, und daß er im Bereich der aktiven Luft- außerhalb des Bereichs der aktiven Luftspalte annä-

spalte auf seinen beiden Stirnseiten als Rippen an- hemd als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildet ist

geformte Zähne (27) trägt und daß die Ständer (Bödefeld und Sequenz: »Elektrische Ma-

(21, 22) im Bereich der Hilfsluftspalte (23,24) der 25 schinen«, 6. Auflage, Wien, 1962, S. 405; deutsche Pa-

äußeren, gewölbten Form des Läufers (11) ange- tentschrift 228 365). Diese Maschinen haben jedoch

paßt sind. ein verhältnismäßig geringes Leistungs-Gewichts-

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Verhältnis, da der magnetische Rückschluß und die zeichnet, daß der Magnetfluß nacheinander die Erregerwicklungen radial außerhalb des Läufers anbeiden aktiven Luftspalte und die beiden Hilfs- 30 geordnet sind, wodurch sich ein sehr großer Durchluftspalte (23, 24) durchsetzt und in radialer Rieh- messer dieser Teile und damit der Maschinen ergibt, tung hauptsächlich über die den aktiven Luftspal- Der große Durchmesser der Erregerwicklung hat zuten abgewandten Joche der Ständer (21,22) fließt. dem eine sehr große Erregerzeitkonstante zur Folge.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Dazu trägt noch der lange Eisenweg des Magnetflusgekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (18, 35 ses bei.

19) in der radialen Höhe der radial inneren Wik- Es besteht in jüngster Zeit ein Bedarf an Genera-

kelköpfe der Wecbsektromwicklung (13) an- toren, die z. B. mit Gasturbinen direkt gekuppelt wer-

geordnet sind. den müssen. Dabei können Drehzahlen bis zu

4. Maschine nach einem der vorangehenden 20000 U/min bei Leistungen bis etwa 2000 kW aufAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flä- 40 treten. Es ist zur Zeit kein Generator bekannt, der bei chen der Hilfsluftspalte (23, 24) jeweils zumindest der angegebenen Leistung diesen Drehzahlbereich beannähernd so groß sind wie die Summe der einem herrscht. Es wird daher zur Zeit mit Hilfe von aufwenaktiven Luftspalt zugekehrten Oberflächen der digen Getrieben diese Drehzahl untersetzt, um einen Zähne (27) des Läufers (11). Generator mit einer Masse von mehreren tausend Ki-

5. Maschine nach einem der vorangehenden 45 logramm anzutreiben.

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die akti- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei

ven Luftspalte eben sind und daß die gleiche Fe- einer Maschine der eingangs genannten Art, die für

stigkeit durch entsprechende Bemessung der Tiefe sehr hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet ist, den

der Läufernuten (17) gewährleistet ist. magnetischen Kreis unter Beachtung eines möglichst

6. Maschine nach einem der vorangehenden 50 kompakten Aufbaus zu verbessern.

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Ma-Oberflächen des Läufers (11) und/oder der Stan- schine der eingangs genannten Art gemäß der Erfinder (21, 22) im Bereich der aktiven Luftspalte aus dung dadurch gelöst, daß der Läufer als Scheibe gleieinem niedrige elektrische und magnetische Ver- eher Festigkeit ausgebildet ist, derart, daß an jeder luste erzeugenden ferritischen Material bestehen. 55 Stelle im Läufer annähernd gleiche Fliehkraftbean-

7. Maschine nach einem der vorangehenden spruchungen herrschen, und daß er im Bereich der ak-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die tiven Luftspalte auf seinen beiden Stirnseiten als Rip-Ständer (21, 22) und gegebenenfalls der Läufer pen angeformte Zähne trägt und daß die Ständer im (11, 35) Teile (15, 16) aufweisen, in denen der Bereich der Hilfsluftspalte der äußeren, gewölbten Magnetfluß in vielen parallel verlaufenden, ge- 60 Form des Läufers angepaßt sind.

trennten Bahnen fließt. Bei der Maschine gemäß der Erfindung werden die

8. Maschine nach einem der vorangehenden innerhalb der aktiven Luftspaltbereiche liegenden, auf Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Grund der Ausbildung des Läufers als Scheibe glei-Zwecke der Kühlung ein aus hauptsächlich radial eher Festigkeit gewölbten Stirnflächen des Läufers zur verlaufenden, magnetisch leitfähigen Ständerrip- 65 Bildung der Hilfsluftspalte herangezogen. Hierdurch pen (52, 53) bestehendes Kanalsystem vorgesehen wird eine große Hilfsluftspaltfläche erzielt, ohne daß ist (F i g. 5,6). eine Vergrößerung des Durchmessers der Maschine

erforderlich ist. Weiter wird eine Führung des Ma-