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Statorblechpaket für elektrische Maschinen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau und die Verfestigung
des Statorblechpakets zur Aufnahme des magnetischen Flusses von hochpoligen Drehfeldmaschinen
mit Innenstatoren und isolierten Wicklungen.
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tiblicherweise werden die Statorblechpakete zur Aufnahme der isolierten
Wicklungen von Drehfeldmaschinen aus in achsialer Richtung geschichteten Blechen
zusammengesetzt, Größere hochpolige Drehfeldmaschinen, wie sie zum Beispiel für
den Direktantrieb von Lüftern für Rückkühlanlagen benötigt werden, weisen eine relativ
kleine Polteilung und Nuttiefe auf.
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Damit ergeben sich kreisringförmige Läufer- und Ständerblthpakete
mit im Verhältnis zum Durchmesser geringer Dicke in radialer Richtung.
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Der Blechpaketrücken benötigt entsprechend der kleinen Polteilung
für den magnetischen Fluß nur einen geringen Teil dieser an sich kleinen Ringdicke,
Er dient außer zur Leitung des magnetischen Flusses auch zum mechanischen Zusammenhalt
des Blechpakets in sich selbst. Das Blechpaket dieser Maschinen weist daher bei
Auslegung nach den magnetischen Erfordernissen in sich nur eine geringe mechanischb
Steifigkeit auf.
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Formstabile Blechpakete sind jedoch gerade für hochpolige Maschinen
mit kleiner Polteilung erforderlich, damit insbesondere bei Asynchronmaschinen für
die Erzielung guter Betriebswerte der notwendige kleine Luftspalt zwischen Stator
und Rotor sicher eingehalten werden kann.
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Man führt daher üblicherweise für derartige Maschinen den Blechpaketrücken
stärker aus, als es im Hinblick auf den magnetischen
Fluß erforderlich
ist und verfestigt das Blechpaket durch die Aufnahme in einem formsteifen Gehäuse,
was im Verhältnis zum elektrisch aktiven Material sehr aufwendig wird.
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Die Abführung der Verlustwärme von den Wicklungen erfolgt bei geschlossenen
Maschinen mit kleiner Rückenhöhe vorteilhaft über den Blechpaketrücken und den Gehäuserücken.
Deren Uberdimensionierung ergibt aber höhere Wärmewiderstände für die Kühlung im
Rücken und damit eine geringere Ausnutzung der Maschinen bei gegebener Wicklungsübertemperatur.
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Der Aufwand an elektrisch inaktivem Material im Verhältnis zum aktiven
Material bei guter Ausnutzung wird daher insbesondere für-große Maschinen so hoch,
daß ihr Einsatz in vielen Fällen, in denen der Direktantrieb mit Langsamläufern
an sich zweckmäßig ist, wegen dem hohen Maschinenpreis ausscheidet.
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Die Erfindung hat deshalb als besondere Aufgabenstellung die bessere
Ausnutzun-zdes elektrisch aktiven Materials dieser hochpoligen Maschinen auch in
mechanischer und kühltechnischer Hinsicht, sowie die wirtschaftliche Herstellung
und Verbindung von Blechpaket und Gehäuse bezw. Nabe.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das vorwiegend
nach den magnetischen Erfordernissen dimensionierte Statorblechpaket durch Schleuderguß
mit Kühlrohren und der Nabe verbunden und verfestigt wird.
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Die wesentlichen Einzelheit werden zunächst an den dargestellten Beispielen
gezeigt.
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In Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Längsachse eines erfindungsgemäßen
Innenstators dargestellt, dessen Teile und Funktion im folgenden erläutert werden.
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Die achsial geschichteten Statorbleche 1 können auch bei kleineren
Durchmessern als sie die verfügbaren Blechabmessungen noch als Vollbleche zulassen,vorteilhaft
segmentiert ausgeführt werden, da auch die vollen Ringe mit geringer Dicke im Rücken
ziemlich labil sind und beim Stanzen viel Abfall ergeben. Die Statorbleche weisen
am Rücken eine Verzahnung 3 mit Hinterschneidungen z. B. in Schwalbenschwanzform
auf, in die soweit erforderlich vorzugsweise runde Durchbrüche für die Preßbolzen
7 einbezogen sind.
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Das Blechpaket wird in dem dargestellten Beispiel auf dem Statordruckring
4.-1 mit den Preßbolzen aufgeschichtet.
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Der andere'Statordruckring 4.2 ist mit dem Druckrohr 6 und den Distanzstegen
12 verbunden. Diese tragen schraubenwendelförmig angeordnete Kühlrohre 5, die im
Betrieb innen von einem Kühlmittel durchströmt werden.
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Das Druckrohr weist an seinen Stirnseiten rundherum Druchbrüche für
Einguß 10 und Steiger 11 auf und ist mit den hier scheibenförmigen Naben 8 zur Aufnahme
auf der Welle verbunden.
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Die Zu- und Ableitungen der Kühlrohre werden durch die Öffnungen für
Einguß und/ oder Steiger radial nach innen ausgeführt. Damit werden zusätzliche
Dichtverbindungen an den Ausführungen beim Ausguß eingespart.
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Der obere Druckring mit Kühlrohren und Naben wird in das geschichtete
Paket eingeführt und gepreßt. Die Bohrungen zur Aufnahme der Preßbolzen können dabei
zum mindesten im oberen Statordruckring 4.2 ein größeres Ubermaß zur leichteren
Montage aufweisen, da die Zentrierung des segmentierten Blechpakets zweckmäßig über
einen zylindrischen Führungsmantel erfolgt, der den Luftspaltdurchmesser aufweist.
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Der Führungsmantel ist bei segmentierten Blechen ohnehin aus Sicherheitsgründen
erforderlich. An ihm legt sich das Blechpaket durch die Zentrifugalkraft und das
Erwärmen beim Ausguß an. Es läßt sich nach dem Abkühlen des Gusses durch die Schrumpfspannungen
und die entfallenden Fliehkraftspannungen leicht wieder daraus entfernen.
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Vor dem Abziehen des Führungsmantels werden an dem ausgegossenen Blechpaket
mit Nabe die Aufnahmen für die Welle bezw. Lager bearbeitet. Damit ist'gewährleistet,
daß diese mit großer Genauigkeit zentrisch zur äußeren Luftspaltfläche des Blechpakets
verlaufen.
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Die Distanzstege 12 auf dem Druckrohr erfüllen außer der Fixierung
der Kühlrohre verschiedene weitere Funktionen. Durch diese Stege wird das vorzugsweise
aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehende
ringförmige Ausgußmaterial mit großem Durchmesser in zahlreiche Segmente von geringer
tangentialer Ausdehnung aufgeteilt. Damit wird das auf den Durchmesser bezogene
Schwindmaß und die auf das Blechpaket wirkende Schrumpfspannung auf ein zulässiges
Maß vermindert.
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Außerdem haben die Distanzstege die Aufgabe, das Druckrohr formschlüssig
mit dem Ausguß zu verbinden. Zu diesem.Zweck erhalten
die Stege
seitliche Durchbrüche 16 und/ oder das Material an den Durchtrittsstellen der Rohre
wird durch Einschneiden und Abkanten seitlich zur Verankerung abgebogen.
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Beim Schichten des Blechpakets ohne äußeren Führungsmantel, insbesondere
bei Vollblechen, können die entsprechend hoch ausgebildeten und zentrisch bearbeiteten
Distanzstege auch noch zur Zentrierung des Blechpakets dienen.
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Zur weiteren Verankerung des Ausgusses mit dem Druckrohr kann dieses
auf seiner gesamten Fläche verteilt Durchbrüche erhalten, sodaß sich an;der Innenseite
des Druckrohrs beim Ausguß ein ringförmiger Gußmantel ausbildet,der über die Durchbrüche
formschlüssig mit den äußeren Teilen verbunden wird.
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Die innere Oberfläche 15 des Ausgusses verläuft auch beim Guß mit
waagerechter Drehachse vom Einguß zu den Steigern in achsialer Richtung radial ansteigend,
etwa wie in Fig. 1 dargestellt.
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Dieser Anstieg ist von den Fließeigenschaften des Ausgusses, den Strömungswiderständen
in der Form und der Schleuderdrehzahl abhängig.
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Der Pegel des Ausgusses an den am weitesten vom Einguß entfernten
Steigern kann neben der Dosierung des Gusses nach dem Gewicht oder Volumen als Maß
für die Füllmenge beim Guß dienen. Der Verlauf der inneren Oberfläche des Ausgusses
ergibt zusätzlich eine einfache Kontrollmöglichkeit für die Gleichmäßigkeit der
Einhaltung der festgelegten Bedingungen beim Ausguß.
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Die Verbindung des Ausgusses mit dem Blechpaket erfolgt vorzugsweise
über schwalbenschwanzförmige Nuten 3 in Fig. 1 und 2 am Blechpaketrücken. Durch
die Schrumpfung des Ausgußmaterials wird dieses fest gegen die Hinterschneidungsflächen
des Blechpakets gepreßt und damit außer der kraft- und formschlüssigen Verbindung
ein guter Wärmeübergang gewährleistet.
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Eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs zum Blechpaketrücken
wird dadurch erreicht, daß die Statorbleche schichtweise eine um einige Millimeter
unterschiedliche radiale Ausdehnung nach innen aufweisen. Durch die so entstandene
Verrippung des Rückens ergibt sich zusätzlich eine erhebliche Vergrößerung der Ubergangsfläche
zum Ausguß, der beim Schleudern diese Zwischenräume, die radial am weitesten außen
liegen, mit maximalem Druck ausfüllt. Dabei kann der Versatz auch jeweils erst nach
einer Schicht ton zwei oder mehr Blechen erfolgen.
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Zur Herstellung der Bleche für diese Anordnung kann man mit einem
Schnitt auskommen, wenn die Bleche z. B. nach Fig. 2 mit Schwalbenschwånznuten wechselnder
Größe 3.1 und 3.2 versehen werden. Die Anzahl der äußeren Statornuten 2 ist dabei
gleich der Anzahl der Rückennuten oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben.
Die Verrippung ergibt sich dann beim Schichten der Bleche einzeln oder absatzweise
jeweils um eine Rückennutteilung versetzt.
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Der Wärmeübergang vom Blechpaket zu den Kühlrohren erfolgt im Aluminiumausguß
mit hoher Wärmeleitfähigkeit gegen-über dem Eisen auf einer verhältnismäßig geringen
Wegstrecke, sodaß hier ein relativ geringes Temperaturgefälle auftritt.
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Der Wärmeübergang vom Ausguß zu den Kühlrohren erfordert ebenfalls
nur einFeringès Temperaturgefälle, da der Guß auf die Rohre geschrumpft ist. Die
durch den Temperatursprung zum Rohr auftretenden Durchmesseränderungen sind bei
den in Betracht kommend enden Wärmestromdichten wesentlich kleiner als die durch
den Schrumpf in entgegengesetzter Richtung erzeugten Änderungen. Der Wärmeübergang
und die Verbindung zu den Kühlrohren kann außerdem durch Rändeln, Gewinderollen
oder ähnliche Maßnahmen zur Oberflächenvergrösserung der Rohre und zur formschlüssigen
Verbindung noch weiter verbessert werden.
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Zur Verbesserung der Verbindung vom Ausguß mit dem Blechpaket können
weiterhin auch bekannte Maßnahmen zur Oberflächenbehandlung wie z. B. Verzinken
oder Kadmieren angewendet werden. Durch die formschlüssigen Verbindungen und den
weitgehenden Abschluß der Verbindungsstellen nach außen ist jedoch eine derartige
Oberflächenbehandlung insbesondere zum Korrosionsschutz im allgemeinen nicht notwendig.
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Die Anordnung der Preßbolzen am inneren Umfang des Blechpakets etwa
auf dem mittleren Durchmesser der Rückenverzahnung 3 ergibt nur eine geringe Behinderung
des magnetischen Flusses auch bei magnetisch gut ausgenutztem Rücken. Trotz der
Anordnung am Rande des Rückens wird durch die geringe Rückenhöhe und den großen
Hebelarm der Abstützung des Statordruckrings zum Druckrohr die Zugkraft der Bolzen
weitgehend zur Pressung des Blechpakets wirksam.
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Nach einer weitertn Ausfütung der Erfindung können auch die Preßbolzen
7 ganz oder teilweise eingespart werden, indem die Pressung des Blechpakets zum
Guß ganz oder teilweise von außen erfolgt und daß das Ausgußmaterial durch die Schrumpfung
beim Erkalten die
Preßkraft für das Blechpaket übernimmt.
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Zu diesem Zweck werden die Statordruckringe etwa auf dem Durchmesser
der Rückennuten mit Flächen zur formschlüssigen Verbindung mit dem Ausguß zur Aufnahme
achsialer Zugkräfte versehen. Diese können z. B. nach Fig. t1 in eingedrehten Schwalbenschwanznuten
13 bestehen, oder es kann ein Ring 14 mit rundem Querschnitt absatzweise an den
Statordruckring geschweißt werden, sodaß sich zwischen dem Ring und dem Statordruckring
Hinterschneidungen zur formschlüssigen Verbindung mit dem Guß ergeben.
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Die Statordruckringe können auch als Blechhohlkörper mit Öffnungen
zum Ausguß und zur Verklammerung ausgeführt werden.
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Bei Verwendung von zugleich als Kokille wirkenden seitlichen Druckringen
können die Statordruckringe vorteilhaft insbesondere bei mittleren Maschinengrößen
auch mit angegossen werden und die achsiale verspannung über den Ausguß übernehmen.
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Zur seitlichen Begrenzung des Gußmaterials beim Ausschleudern können
die Statordruckringe nach innen über das Druckrohr hinaus erweitert werden. Da hier
keine größere Steifigkeit erforderlich ist, genügt die entsprechende Ausdehnung
von Endblechen nach innen oder es können nach Fig.1 an die Statordruckringe angeschweißte
oder eingepreßte Endscheiben aus Blech 9.1 oder 9.2 verwendet werden.
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Bei Blechpaketen mittlerer Größe können vorteilhaft auch die Funktionen
der Statordruckringe mit denen der Scheibennaben und Endscheiben vereinigt werden.
Die Statordruckringe werden dazu bis zur zentrischen Aufnahme der Welle oder Lagerung
nach innen fortgeführt. Sie weisen im Inneren Durchbrüche auf, durch die auf der
Eingußseite die Schmelze, über Verteilerrohre von einem zentralen Einguß zu den
Durchbrüchen zum Einguß am Druckrohr geleitet wird. Diese Durchbrüche sind zugleich
Erleichterungslöcher für den inneren Teil des Statordruckrings, der hier auch als
Armstern die Nabe bilden kann. Bei geringen Blechpaketlängen ist auch die Anordnung
nur eines als Nabe zur Verbindung mit der Welle oder Lagerung ausgebildeten Statordruckrings
möglich. Der zweite Statordruckring wird dann mit einer Endscheibe zur Begrenzung
des Gusses versehen. Der Einguß kann dann über eine einfache Gießrinne von dieser
über den inneren Umfang freien Seite erfolgen.
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Bei großen Blechpaketdurchmessern der hochpoligen Maschinen wird bei
konstanter kleiner Polteilung der Gewichtsaufwand für die
scheibenförmigen
Naben im Verhältnis zum aktiven Material mit etwa konstanter radialer Dicke relativ
hoch. Hier wird die Nabe vorteilhaft mit Speichen mit Rohrprofil ausgeführt. Um
die Anzahl der Speichen gering zu halten, kann dabei durch umlaufende hohe Zwischenträger
mit großer Formsteifigkeit zwischen dem Druckrohr und den Speichen die Steifigkeit
des Pakets gegenüber gegenüber, umlaufenden Kraftwellen wesentlich erhöht werden.
Der umlaufende Zwischenträger kann dabei z. B. U-förmigen Querschnitt aufweisen,
wobei die beiden Schenkel des U mit dem Druckrohr und die Speichen der Nabe mit
der Grundlinie des U verbunden werden.
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Die Anordnung der Kühlrohre kann insbesondere bei längeren Paketen
auch in achsialer Richtung in Form von Wendeln am inneren Umfang des Blechpakets
erfolgen, wobei die Rohre jeweils am Paketende um 1800 umgelenkt werden. Hierbei
werden die Distanzstege zur Aufnahme der Rohre in Umfangsrichtung auf dem Druckrohr
befestigt. Die Verringerung des radialen Schwindens wird hier bereits telweise von
der achsialen Unterteilung durch die Rohre bewirkt. Die weitere Verringerung sowie
die Funktionen der Verklammerung des Druckrohrs und der Zentrierung des Blechpakets
können auch hier von achsialen Stegen auf dem Druckrohr zwischen den Kühlrohren
übernommen werden.
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Bei großen Maschinen können die Kühlrohre durch Anordnung in mehrgängigen
Wendeln in parallele Abschnitte unterteilt werden, um optimale Abmessungen für die
Rohrdurchmesser zu erhalten.
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Bei Verwendung von verdampfendem Kühlmittel werden die Rohre vorteilhaft
parallel zur Achse ausgeführt und an den Enden mit ringförmigen Zu- und Ableitungen
verbunden.
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Die Statornaben können weitgehend durch wirtschaftliche Fertigungsverfahren
wie Gießen oder Schweißen unabhängig vom Statorpaket vorgefertigt und erst beim
Ausschleudern mit diesem verbunden werden.
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Einzelne Elemente der erfindungsgemäßen Anordnungen gehören zum Stand
der Technik. So sind bekannt: das Umgießen von Außen-statoren mit Druckguß, das
Ausgießen von Rotoren im Schleudergußverfahren und das Eingießen von Naben oder
Rohren in Gußteile.
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Erst der erfindungsgemäße Aufbau von Innenstatorpaketen unter Verwendung
der bekannten Verfahren ergibt jedoch die Lösung der gestellten Aufgabe: Aufbau
und wirtschaftliche Herstellung von magnetisch und kühltechnisch gut ausgenutzten
Ständerblechpaketen
für hochpolige Drehfeldmaschinen mit kleiner
Polteilung. Bei der Ausführung als Innenstator ist dabei das Statorgehäuse mit Kühlung
in den be Außenstatoren ungenutzten Innenraum materialsparend einbezogen.
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Der Verbund vom Blechpaket mit Kühlrohren und Nabe über das Ausgußmaterial
ergibt bei geringem Aufwand an Material und Arbeit einen formstabilen Aufbau.
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Die indirekte Flüssigkeitskühlung des optimal niedrig ausführbaren
Statorblechrückens ermöglicht bei geringen Temperaturdifferenzen hohe Verlustwärmestromdichten
und damit eine hohe thermische Ausnutzung der Maschinen.
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Der auf niedrigem Temperaturniveau gehaltene Rücken des Innenstators
ergibt eine geringe Wärmedehnung und ermöglicht zusammen mit dem steifen Aufbau
des Blechpakets betriebssicher die Einhaltung der insbesondere bei großen hochpoligen
Asynchronmaschinen für gute Betriebswerte erforderlichen kleinen Luftspalte zwischen
Stator und Rotor.
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Der Ausguß kann auf einfachen Dreheinrichtungen bei relativ geringen
Zentrifugalkräften ohne Verwendung besonderer Formen erfolgen.
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Der Schleuderguß gewährleistet die höchste Gußqualität gerade in den
mechanisch und thermisch besonders beanspruchten Bereichen zwischen Blechpaket und
Kühlrohren.
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Die erfindungsgemäße Ausführung der Statorpakete ermöglicht die wirtschaftliche
Anwendung des Direkt antriebs mit hochpoligen Drehfeldmaschinen bei größeren Leistungen
und geringeren Drehzahlen als bisher.