DE2531400A1

DE2531400A1 - Belueftungseinrichtung fuer dynamoelektrische maschinen

Info

Publication number: DE2531400A1
Application number: DE19752531400
Authority: DE
Inventors: Anil Kumar Mishra
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-14
Publication date: 1976-02-12
Also published as: CH600652A5; IN145180B; FR2280996A1; JPS5138003A; SE7508612L; GB1513186A; JPS53806B2; ES439858A1; US3997803A; BE831950A; CA1024576A; BR7504714A; IT1039934B

Description

PATENTANWÄLTE 253 UOO

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

β MÖNCHEN 7i,den 10. Juli 1975

MalchiontriBt 42

M.inZtloh.n: WS27P-1312

Westinghouse Electric Corporatior Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA

Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische Maschinen

Die Erfindung betrifft eine Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische Maschinen mit einem Rotor, der einen zylindrischen und lamellierten sowie eine Wicklung tragenden Kern aufweist, wobei der Kern mit in Längsrichtung verteilten und radial verlaufenden Kühlluftkanälen versehen ist, welche in Längskanäle im Rotor für die Luftführung münden.

Rotoren mit einem nicht ausgeprägten Pol haben zylindrische Rotorkerne, auf denen die Rotorwicklung in über die äußere Oberfläche des Kernes verteilten Längsschlitzen angebracht ist. Der Kern ist üblicherweise lamelliert und besteht bei herkömmlichen Konstruktionen aus einer Serie von lamellierten Blechpaketen, zwischen denen Abstandselemente angeordnet sind, so daß radial verlaufende Kühlluftkanäle über die gesamte Länge des Kernes verteilt entstehen. Ferner sind Längskanäle

Fs/mü vorhanden

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vorhanden, welche in Kommunikation mit den radial verlaufenden Kühlluftkanälen stehen, so daß die Kühlluft durch die Längskanäle und die radial verlaufenden Kühlluftkanäle ventilieren und die Wärme vom Kern abführen kann. Bei einem speziellen Konstruktionstyp sind die Längskanäle zwischen radial angeordneten Vorsprüngen auf der Welle ausgebildet bzw. werden von einem auf der Welle montierten Speichenstern begrenzt. Der ringförmige lamellierte Kern liegt auf den äußeren Enden dieser Vorsprünge bzw. Speichen auf, die sich über die gesamte Länge des Kernes erstrecken, so daß die radial verlaufenden Kühlluftkanäle in die Längskanäle münden.

Bei der herkömmlichen Ausgestaltung derartiger Rotoren sind die Längskanäle, welche als Sammelkanäle für die Kühlluft dienen, in ihren Abmessungen vom einen Ende bis zum anderen Ende des Kernes gleichförmig gestaltet. Die Luft wird entweder durch ein extern vorgesehenes Gebläse oder eine Pumpwirkung des Rotors selbst durch die Längskanäle und die Kühlluftkanäle gepreßt. Diese bekannte Ausgestaltung ist in sehr großem Umfang in Benutzung und genügt in der Regel auch den Anforderungen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Luftstrom in einem derart ausgestalteten Rotor nicht gleichförmig ist, und daß sich dementsprecher eine ungl ei chförmige Temperaturverteilung im Rotor einstellen kann. Aufgrund dieser Ungleichförmigkeit bei Längskanälen mit konstantem Querschnitt kann sich für den Luftstrom in radialer Richtung durch die Kühlluftkanäle eine Geschwindigkeit einstellen, die bis zum Vierfachen am einen Ende des Kernes gegenüber dem anderen Ende des Kernes verschieden ist. Durch diesen Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Kernes, die unzulässig hohe Werte annehmen kann, so daß der Temperaturgradient über dem lameliierten Kern zu einer sehr starken Beanspruchung bzw. Spannung im Kern und anderen Schwierigkeiten führen kann.

- 2 - Der

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Belüftungseinrichtung zu schaffen, bei der die Luftführung im Rotor derart ausgebildet ist, daß sich eine im wesentlichen gleiche Geschwindigkeit für den Luftstrom und eine gleichförmige Ableitung der Temperatur einstellt. Damit soll eine ungleichförmige Temperaturbelastung für den Rotor erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungggemäß dadurch gelöst, daß der Querschnittsbereich der Längskanäle vom einen Ende zum anderen Ende hin abnimmt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Mit Hilfe der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, durch die über die Länge des Kernes mit veränderlichem Querschnitt ausgebildeten Längskanäle die Strömungsgeschwindigkeit für den Luftstrom derart einzustellen, daß durch die radial verlaufenden Kühlluftkanäle sich ein näherungsweiser gleicher Luftstrom einstellt. Die Längskanäle werden vorzugsweise auf dem Umfang der Welle in die Welle eingearbeitet, wobei sich bei gleichbleibender Breite der Längskanäle und vorzugsweise keilförmiger Vertiefung eine Verteilung des Luftstromes in der Weise einstellt, daß die Radialgeschwindigkeit im wesentlichen gleichförmig ist.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Rotorhälfte;

- 3 - Fig. 2

5 η^r: η ά ■/ / η 3 p.

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Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1; Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie III-III der Fig. 1.

In der Zeichnung ist ein typischer Rotor dargestellt, wie er in einem Wechselstromgenerator mit einem in herkömmlicherweise mit einem ausgeprägten Pol versehenen Stator, der nicht dargestellt ist, Verwendung findet. Das beschriebene Belüftungssystem kann jedoch auch für beliebige Rotortypen mit einem lamellierten Kern und einer verteilten Wicklung Verwendung finden, wie dies für einen Rotor eines Induktionsmotors oder den Anker einer Gleichstrommaschine beispielsweise der Fall ist.

Gemäß der Zeichnung umfaßt der Rotor einen lamellierten Kern 10 und eine Welle 12. Der Kern 10 ist ringförmig ausgebildet mit einer inneren und äußeren zylindrischen Fläche und besteht aus lamellierten Blechpaketen 14. Diese Blechpakete 14 sind mit Hilfe von Abstandselementen 16 gegeneinander getrennt, so daß radial verlaufende Kühlluftkanäle 18 zwischen benachbarten Blechpaketen entstehen. Die Abstandselemente können in herkömmlicher Weise ausfingerförmig ausgebildeten Blechelementen bestehen, die mit den äußeren Platten der Blechpakete verbunden sind. Die Einhaltung des gewünschten Abstandes kann auch mit Hilfe anderer Vorrichtungen erzielt werden, wenn dies wünschenswert ist. Die auf diese Weise geschaffenen Kühlluftkanäle 18 sind in Längsrichtung in gewissen Abständen über die Länge des Kernes 10 verteilt und erstrecken sich durch die ganze Dicke des Kernes. Die Blechpakete 14 werden in herkömmlicher Weise zwischen Endplatten 20 eingespannt und zusammengedrückt, so daß der Kern 10 die gewünschte Festigkeit hat. Auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Kernes sind Schlitze 22 vorgesehen, in welchen die Rotorwicklung 24 in herkömmlicher Weise angeordnet ist. Die Enden der einzelnen

- 4 - Wicklungen

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Wicklungen 24 verlaufen Über das Ende des Kernes hinaus und sind in herkömmlicher Weise in mit den Endplatten 20 verbundenen Halterungen 26 befestigt.

Der Kern 10 ist mit der Welle 12 verbunden und dreht sich mit dieser. Zu diesem Zweck sind an der Welle 12 radial verlaufende Vorsprünge 28 ausgebildet, die entweder einstückig an der Welle ausgeformt oder als separate Elemente in diese eingesetzt und fest verbunden sind. Die Vorsprünge 28 erstrecken sich in Längsrichtung der Welle zumindest über die Länge des Kernes 10 und sind über den Umfang verteilt derart angebracht, da/3, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, Längskanäle 30 entstehen. Die innere Oberfläche des ringförmigen Kernes 10 steht in Eingriff mit den äußeren Kanten der Vorsprünge 28 und wird von diesen gehaltert, wobei zumindest ein Teil der Vorsprünge 28 mit dem Kern formschlüssig verbunden sein kann, wie dies durch das Bezugszeichen 32 angedeutet ist.

Man kann aus der Zeichnung entnehmen, daß die Längskanäle 30 zwischen den Vorsprüngen 28 Sammelkanäle bzw. Luftführungskanäle bilden, von denen aus die Kühlluft in die radial ausgerichteten Kühlluftkanäle 18 eindringt und durch diese radial durch den Kern 10 und die Wicklung 24 geführt wird. Durch diese Luftströmung wird die vom Kern und der Wicklung entwickelte Wärme abgeführt. Die Luftströmung durch die Längskanäle 30 kann durch die Pumpwirkung bzw. die Gebläsewirkung des Rotors selbst aufrechterhalten werden, jedoch kann auch ein separates Gebläse für diesen Zweck Verwendung finden, das auf der Welle 12 neben dem einen Ende des Kernes 10 montiert ist.

Diese Art der Belüftung ist, wie bereits erwähnt, in vielen Fällen zufriedenstellend und wirksam, jedoch haben bei der Verwendung herkömmlicher Kanäle 30 mit gleichen Abmessungen ifcer die Gesamtlänge sorgfältige Analysen der Luftströmung gezeigt, daß die Luftgeschwindigkeit

- 5 - in den

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in den radialen Kühlluftkanälen 18 vom einen Ende des Kernes zum anderen Ende hin stark veränderlich ist, und daß die Luftgeschwindigkeit im letzten Kühlluftkanal an dem austrittsseitigen Ende des Kernes bis zu viermal größer als die Radialgeschwindigkeit in einem Kühlluftkanal 18 auf der Eintrittsseite ist. Dies bewirkt natürlich stark unterschiedliche Temperaturen im Kern, was schwerwiegende Probleme in Verbindung mit der Belastung bzw. Beanspruchung bei Maschinen mit großer Last mit sich bringen kann. Es können sich auch Schwierigkeiten beim Betrieb aufgrund der ungleichenBelastungsverteilung oder Spannungsverteilung bzw. aufgrund einer ungleichen Ausdehnung des Kernes und der Wicklung einstellen.

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten vermieden, indem die Längskanäle 30 in einer Weise ausgebildet werden, daß sich eine im wesentliche gleiche Radialgeschwindigkeit für die Luftströmung in den Kühlluftkanälen 18 über die gesamte Länge des Kernes 10 einstellt. Die Längskanäle 30 sind aus diesem Grund derart ausgebildet, daß der Querschnittsbereich jedes einzelnen Längskanals vom einen Ende des Rotorkernes zum anderen Ende hin abnimmt. Diese Ausbildung des Längskanales kann iniunterschiedlicher Weise erfolgen, wobei z. B. der Durchmesser der Welle schrittweise verringert oder die Breite der Vorsprünge 18 variiert wird. In einer bevorzugten und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird der Querschnittsbereich der Längskanäle 30 kontinuierlich und gleichförmig verringert, indem die Bodenfläche 36 für jeden Längskanal 30 geneigt ausgeführt wird. Auf diese Weise können, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, die radialen Vorsprünge 28 von gleichbleibender Breite über die gesamte Länge des Kernes gehalten werden. Die Bodenfläche 36 eines jeden Längskanals wird gleichförmig und linear vertieft ausgebildet, so daß sie zur Längsachse der Welle geneigt verläuft, wie dies aus Fig. 1 zu entnehmen ist. Damit kann der Querschnitt des Längskanals gleich-

- 6 - mäßig

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mäßig und gleichförmig von einem Ende zum anderen EmIo des Kernes hin verringert werden. Die optimale Neigung der Bodenfläche 3G kann mit Hilfe von Analysen oder auch durch Tests ermittelt werden. Man hat festgestellt, daß eine verhältnismäßig ideale Annäherung dadurch erzielbar ist, daß der engste Bereich eines jeden Längskanales 30, und zwar im Bereich des letzten Kühlluftkanales 34 an dem austrittseitigen Ende, etwa gleich dem Querschnittsbereich des Kühlluftkanales 34 gemacht wird, welcher in den Längskanal zwischen zwei Vorsprüngen 28 mündet. Die Bodenfläche 36 ist dann gleichmäßig und vorzugsweise linear bis zu einem maximalen Öffnungsbereich am anderen Ende des Kernes geneigt, so daß die gewünschte gleichmäßige und kontinuierliche Änderung des Querschnittsbereiches vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes gewährleistet ist. Mit Hilfe von Tests läßt sich zeigen, daß mit einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung die radiale Geschwindigkeit der Luftströmung durch alle Kühlluftkanäle 18 im wesentlichen gleich gehalten werden kann, und daß eine gleichförmige Kühlung sowie eine gleichförmige Temperaturverteilung über die gesamte Länge des Rotors erzielbar ist.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich die Rotorkonstruktion derart verändern, daß die Schwierigkeiten, die sich aus der ungleichmäßigen radialen Luftführung ergeben, und die daraus abgeleitete ungleichmäßige Temperaturverteilung sich eliminieren lassen, womit auch die erwähnten Spannungsprobleme im Kern vermieden werden können.

- 7 - Patentansprüche

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Claims

253U00 WS27P-1312 Patentansprüche

1. Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische Maschinen mit einem Rotor, der einen zylindrischen und lameliierten sowie eine Wicklung tragenden Kern aufweist, wobei der Kern mit in Längsrichtung verteilten und radial verlaufenden Kühlluftkanälen versehen ist, welche in Längskanäle im Rotor für die Luftführung münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ouerschnittsbereich der Längskanäle (30) vom einen Ende zum anderen Ende hin abnimmt.

2. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle (30) zwischen dem Kern (10) des Rotors und der Welle (12) verlaufen.

3. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle in Form von Ausnehmungen in der Oberfläche der Welle (12) ausgebildet sind, wobei die Längskanäle vom einen zum anderen Ende des Kernes eine zunehmend größere Tiefe aufweisen.

4. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gek enn ζ e i chn et, daß die Längskanäle (30) eine im wesentlichen konstante Breite aufweisen, und daß die Tiefe der Längskanäle gleichförmig vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes in radialer Richtung abnimmt.

5. Belüftungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Querschnittbereich der Längskanäle benachbart zu dem letzten radial durch den Kern verlaufenden Kühlluftkanal (34) liegt, und daß der kleinste Querschnitts bereich etwa dem Querschnitt des letzten, in den Längekanal mündenden Kühlluftkanales entspricht.

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6. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle eine keilförmig vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes abnehmende Tiefe aufweisen.

7. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand der die Längskanäle (30) begrenzenden Vorsprünge (28) vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes im wesentlichen konstant ist, und daß die Bodenfläche der Längskanäle vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes gleichmäßig keilförmig verläuft.

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