DE1965355C - Elektrische Maschine in Scheiben bauweise - Google Patents

Description

gnetflu^ses ohne scharfe Umlenkung zwischen radialer iiini axialer Richtung und somit unter gerinuen Streuverluslen erreicht.

Ein nach der Erfindung ausgelegter Generator ist bei der erwähnten Drehgeschwindigkeit und der erwähnten Leistung etwa 280 kg schwer. Ein Leistungsgewichi \on 2000/280 kW pro kg wurde bei Drehceschwmdigkeiten von 20 000 U min bisher noch von ke'-.T bekannten elektrischen Maschine erreicht. Die erfiiKkmgsgemäße Maschine ist insbesondere zur V'erwendung als Generator, beispielsweise zur direkten Ankopplung an eine Turbine, geeignet. Da ein aus Turbine und Generator bestehendes Aggregat hauptsächüi-h für den mobilen Einsatz vorgesehen ist. sind die i-V'imlich und gewichtsmäßigen Vorteile von sehr groi^;.--w. Nutzen. Die neue Maschine kann jedoch auch als -^ynchroner Motor betrieben werden. Diese Eigt; -diaft kann beispielsweise zum schnellen Hochlauf- ; in die Nähe der Nenndrehzahl verwendet werden.

(i.väß einer Ausgestaltung der Erfindung durchsei?' 'Ϊ-Τ Magnetfluß nacheinander die beiden aktiven Lui.-;:':!lte und die beiden Hilfsluftspalte und fließt in rai!-^;-i" Richtung hauptsächlich über die den aktiven I.ui füllten abgewandten Joche der Ständer. Der Magru ¹MiIA durchsetzt also nacheinander die beiden aktiverι üftspalte und die beiden Hilfsluftspalte in einem eiii/ : en Magnetkreis, ohne in radialer Richtung dui.ii den Läufer geleitet zu werden. Hierdurch kann zu·: -kissen werden, daß sich der Läufer entsprechend seiner Ausbildung als Scheibe gleicher Festigkeit zu seinem äußeren Umfang hin stark verjüngt, ohne daß do.; infolge eines radialen Magnetflusses eine Sättiüii.-ii! auftritt. Auch wird eine Umlenkung des Magnetfluss aus der radialen Richtung im Läufer in die axi.ile Richtung in den aktiven Luftspaltcn vermieden, div. eine starke Streuung zur Folge hätte.

Pie Erregerwicklungen sind vorzugsweise in der radialen Höhe der radial inneren VVickelköpfe der Wechselstromwicklung angeordnet, wodurch ein kompakter Aufbau gefördert wird.

Die Flächen der Hilfsluftspalte sind vorzugsweise jeweils zumindest annähernd so groß wie die Summe der einem aktiven Luftspalt zugekehrten Oberflächen der Zähne des Läufers. Eine derartig große Bemessunn der Hilfsluftspalte ist bei der Maschine gemäß der Erfindung in besonders einfacher Weise möglich. Es weiden hierdurch ein geringer magnetischer Widerstand der Hilfsluftspalte und damit eine geringe Erregerverlustleistung erzielt.

Trotz der gewölbten Form des Läufers können die aktiven L.uftspalte eben sein, wenn die gleiche Festigkeit des Läufers durch entsprechende Bemessung der Tiefe der Läufernulen gewährleistei ist. Die Tiefe der Läufernuten nimmt dann zum äußeren Umfang in an sich bekannter Weise zu, was für das elektrische Verhalten der Maschine von Vorteil ist.

Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten können die Oberflächen des Läufers und/oder der Ständer im Bereich der aktiven Luftspalte aus einem niedrige elektrische und magnetische Verluste erzeugenden ferritischen Maerial bestehen. Zum gleichen Zwecke ist es ebenfalls möglich, daß die Ständer und gegebenenfalls der Läufer Teile aufweisen, in denen der Magnetfluß in vielen parallclverlaufenden, getrennten Bahnen fließt.

Zum Zwecke der Kühlung kann ein aus hauptsächlich radial verlaufenden, magnetisch leitiahigen Ständerrippen bestehendes Kanalsystem vorgesehen sein. Die radial verlaufenden Rippen verbessern dann den magnetischen Kreis der Maschine dadurch, daß sie den magnetischen Querschnitt der Ständerjoche vergrößern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine im Längsschnitt,

Fi g. 2 eine teilweise Ansicht des Ständers der Maschine gemäß Fig. 1. von den Luftspalten aus gesehen,

Fig. 3 eine teilweise Ansicht des Läufers der Maschine gemäß Fig. 1. von den Li'.ftspalten aus gesehen,

F i g. 4 eine teilweise Ansicht eines Ständers mit abgewandelter Ausführung der Wechselstromwicklung, von den Luftspalten her gesehen,

Fig. 5 eine teilweise Ansicht einer Kühlrippenanordnung auf der Außenseite eines Ständeis,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine im Längsschnitt.

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Maschine. Der strichpunktiert angedeutete Erregerfluß verläuft vom äußeren, im Bereich der aktiven Luftspalte liegenden Rand 20 der Läuferscheibe 11 über die' Rippen 27 (vgl. die Fig. 3). durch die lameliierten Ständerjochringe 15. 16. über die Joche der Ständer 21. 22. durch die Hilfsluftspalte 23. 24 und schließt sich im für höchste Drehgeschwindigkeiten ausgebildeten Nabenteil 29 des insgesamt annähernd als Körper gleicher Festigkeit ausgebildeten, geschnitten dargestellten Grundkörpers der Läuferscheibe II. Die Lagerung der Läuferscheibe Il kann an den Ansätzen erfolgen. Am äußeren Rand der Ständer 21. 22 sind Verbindungselemente 26 und ein vorzugsweise unmagnetisierbarer Zwischenring 25 zum Auffangen der magnetischen Zugkräfte angeordnet Um einen gleichmäßigen Hilfsluftspait zu erhalten, sind die Ständerjoche 21, 22 in diesem Bereich der Läuferscheibe 11 formmäßig angepaßt. Bei Verwendung hochwertiger Lager für die Läuferscheibe 11 ist es möglich, sehr kleine Hilfsluftspalte zugunsten einer relativ kleinen Ampere-Windungszahl der Erregerwicklung vorzusehen.

F i g. 2 zein eine Ansicht auf die Luftspaltfläche der Ständerscheibe 22. Hier sind der schematische Verlauf einer einfachen Wechselstromwicklung 13 ulk den davorliegenden Streuspalten 30 (vgl. die F i g. 4). der vorzugsweise lameliierte Ständerjochring 15, die Erregerwicklung 19. die Hilfsiuftspaltfläche 24 und die Verbindungselemente 26 erkennbar. Der von der Erregerwicklung 19 erzeugte magnetische Fluß ist strichpunktic/t eingezeichnet. Das Symbol im aktiven Luftspalt deutet den axialen Austritt des magnetischen Flusses an.

in Fig.? ist eine Ansicht der Sürnseite des Läufers Il gezeigt, die der in Fig. 2 dargestellten Stirnseite des Ständers 22 zugekehrt ist. Weiter sind die Rippen 27 und die dazwischenliegenden Nuten 17 im aktiven Luftspallbereich gezeigt. Der für höchste Drehgeschwindigkeiten ausgebildete Läufer 11 weist einen sowohl im Bereich des Hilfsluftspalts 24, d. h. in dem Nabenteil 29, als auch in dem äußeren Scheibenrand 20 etwa als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildeten, die Zähne 27 tragenden Grundkörper auf, dessen Gestalt im Bereich des äußeren Scheibenrands am besten aus F i g. C, erkennbar ist.

F i g. 4 zeigt eine dreiphasige Wechselstromwicklung 13. Die Bezugszeichen entsprechen denen von F ig. 2.

In Fig. 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 5t 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 Ständerrückscitc ab und arbeitet als Wärmcaustauscher. Die rückgckiihlte 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 Fig.6 zeigt des weiteren die Unterbringungsmöglichkeit der Lagerstein 59.

Die in Fig.5 dargestellte Kühlrippcnanordnung unterscheidet sich von derjenigen der bei der Maschine gemäß Fig.6 vorgesehenen dadurch, daß zwisehen den inneren und äußeren Rippen 57, 58 weitere Rippen 53 liegen, wodurch zwei mäanderförmige Kühlmittclkanäle 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)

1 S 2 Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Ma- Patentansprüche: 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 Ergnelfluß durchsetzten aktiven Luftspalten zwi- zielung von Flußänderungen in den aktiven Luftspalschen jeweils einem Ständer und dem Läufer, im ten, in" 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 Hilfsluftspaiten und zwei Stromwicklungen, zwei radial innerhalb des Be- in den Ständern zwischen den Bereichen der aktiven reichs der aktiver. ..aftspalte zwischen den Stan- Luftspalte und der Hilfsluftspalte angeordneten, ringdern und dem Läufer gebildeten Hilfsluftspaiten 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 Leistundadurch gekennzeichnet, daß der Lau- gen geeignet, da der Läufer mehrteilig und in seinem fer (11) als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildet NabenteTl 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 Drehgeschwindigkeiter. bekannt, deren Läufe·· sehen, und daß er im Bereich der aktiven Luft- außerhalb des Bereichs der aktiven Luftspalte annaspalte auf sei.-.en beiden Stirnseiten als Rippen an- hemd als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildet ist geformte Zähne (27) trägt und daß die Ständer (B öde feld und Sequenz: »Elektrische Ma-(21, 22) im Bereich der Hilfsluftspalte (23. 24) der 25 schinen«. 6. Auflage, Wien. 1%2, S. 405; deutsche Paäußeren, 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 Magnetl.uß nacheinander die Erregerwicklungen radial außerhalb des Läufers anbeiden aktiven Luftspalte und die beiden HiITs- 30 geordnet sind, wodurch sich ein sehr großer Durch luftspalte (23, 24) durchsetzt jnd 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 Magnetflus gekennzeichnet, 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 Wechselstromwicklung (13) an- toren, die z. B. mit Gasturbinen direkt gekuppelt wer

geordnet sind. den müssen. Dabei können Drehzahlen bis T-.

4. Maschine nach einem der vorangehenden 20 000 U/min bei Leistungen bis etwa 2000 kW auf Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flä- 40 treten. Es ist zur Zeit kein Generator bekannt, der Ix· 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 aufwenaktive.i 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 füi

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 5° kompakten Aufbaus zu verbessern.

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diese Aufgabe wirci 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 gleieineni niedrige elektrische und magnetische Ver- eher Festigkeit ausgebildet ist, derart, daß an jeder luste erzeugenden ferritischen Material bestehen. 55 Stelle im Läufer annähernd gleiche Flichkraftbean-

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 .-'erden 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 Heiligkeit 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 (Fig. 5,6). eine Vergrößerung des Durchmessers der Maschine

erforderlich ist. Weiter wird eine Führung des Ma-