DE2652768C2

DE2652768C2 - Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotornabe auf der Welle mittels einer für das Nennmoment ausgelegten Reibverbindung befestigt ist

Info

Publication number: DE2652768C2
Application number: DE19762652768
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 1000 Berlin Utecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-11-18
Filing date: 1976-11-18
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE2652768A1

Description

Die Erfindung betrifft den Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotornabe auf der Welle mittels einer für das Nennmoment ausgelegten Reibverbindung befestigt ist, die bei einem vorher bestimmten, oberhalb des Nennmomentes liegenden Stördrehmoment in eine Gleitverbindung übergeht.

Ein derartiger Rotor ist durch die US-PS 16 46 400 bekanntgeworden. Diese beschreibt einen elektrischen Motor, insbesondere zum Antrieb von Haushaltsmaschinen bzw. Waschmaschinen, bei dem es während des Betriebes möglich ist. daß wegen einer Überlast die Welle blockiert. Um zu verhindern, daß infolge des dann auftretenden wesentlich oberhalb des Betriebsdrehmomentes liegenden Drehmomentes Beschädigungen des Rotors eintreten können, ist dieser so aufgebaut, daß die für das Betriebsdrehmoment ausgelegte Reibverbindung zur Welle bei einem vorher bestimmten, oberhalb des Betriebsdrehmomentes liegenden Drehmoment in eine Gleitverbindung übergeht so daß die Rotornabe auf der Welle durchrutschen kann. Damit, ist eine Drehmomentbegrenzung für den Rotor gegeben. Dies geschieht dadurch, daß die Rotornabe in Gleitbuchsen auf der Welle gelagert ist und daß seitliche an den Stirnflächen der Rotcrnabe und der GleiUuchsen

ίο reibend anliegende Scheiben vorgesehen sind, die den Rotorkörper in einer Reibverbindung mitnehmen. Der Anpreßdruck dieser Reibscheiben und somit das Ansprechdrehmoment für den Übergang von der Reibauf die Gleitverbindung ui durch eine Feder einstellbar.

^Tritt nun eine Überlast auf, die von der Reibverbindung nicht mehr aufgenommen werden kann, so gleitet die Rotornabe der Maschine auf der Welle bis zur Beendigung der Störung. Dann wird die Nah= wieder von der Welle mit Reibschluß mitgenommen, wobei die zufällig gegebene relative Lage der Rotornabe gegenüber der Welle beibehalten wird. Es ist weder eine Begrenzung der Verschiebung noch eine Rückführung in die ursprüngliche Lage vorgesehen, sondern mit jedem Störfall addieren sich die jeweiligen Verschiebungen. Infolgedessen läßt sich die bekannte Konstruktion nur bei solchen Maschinen anwenden, bei denen keine Verbindungsleitungf/n zwischen der Welle und dem Rotorkörper vorhanden sind.

Demgegenüber geht die DE-PS 2 53 285 davon aus,

sn daß es bekannt ist, zwischen einem elektrischen Motor und der angetriebenen Welle federnde Zwischenglieder anzuordnen, damit die Wirkung von Drehmomentstößen abgeschwächt wird. Diese federnden Glieder liegen z. B. in der aus zwei konzentrischen Teilen bestehenden Nabe, oder die Nabe ist drehbar auf die Welle aufgesetzt und das Drehmoment wird durch die Federn übertragen. Dadurch liegen die Federn ständig im Weg der Drehmomentübertragung und bilden eine drehelastische Verbindung zwischen den reibenden und den

•to angetriebenen Teilen. Da dann Relativbewegungen zwischen diesen Teilen möglich sind, die zu Verschleiß führen, kann die Zentrierung verloren gehen. Deshalb sind gemäß der DE-PS 2 53 285 die einerseits mit der Nabe, andererseits mit dem Läuferkranz verbundenen Läuferarme federnd ausgebildet, zu dem Zweck, sowohl die Drehmomentstöße abzufangen, als auch eine Zentrierung des Läuferkranzes zu bewirken. Auch diese federnden Läuferarme liegen ständig im Weg der Drehmomentübertragung.

λ Bei dem Rotor nach der DE-PS 2 53 285 können zusätzliche Reibstücke vorgesehen sein, die gegen den Läuferkranz pressen, um die durch die federnden Läuferarme etwa verursachten Schwingungen zu dämpfen. Dieses Reibungssystem wirkt somit parallel zu den Läuferarmen und wird zusammen mit diesen während des gesamten Betriebes beansprucht.

Der Erfindung liegt bei einem Rotor der eingangs genannten Art die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen der Rotornabe und der Welle zur Aufnahme

bü kurzzeitiger Drehmomentstöße so auszubilden, daß bei der Gleitverbindung die Relativbewegur:gen zwischen der Welle und der Rotornabe beschränkt sind.

Eine Lösung dieser Aufgabe besteh! darin, daß parallel zur Reibverbindung /wischen der Rotornabe

""> und der Welle drehelastische F-"edern vorgesehen sind. deren Rückstellkraft ausreicht, tlie Rotornabe nach dem Wegfall des .Stördrehmomentes annähernd in ihre ursprüngliche Lage zurückzuschieben. Man erreicht

hierdurch einerseits, daß die Federn nur im Überlastungsfall der Maschine beansprucht werden und ebenso nur in diesem Fall Gleitreibung auftritt. Andererseits wird die Relativbewegung zwischen der Welle und dem Rotor begrenzt, so daß eine Beschädigung von Verbindungsleitungen nicht zu befürchten ist

In Ausgestaltung dieser Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, daß die Rotornabe mit ihrer Innenbohrung mittels eines Schrumpfsitzes auf der Welle befestigt ist, daß an der Seitenwand der Rotornabe auf gleichem Durchmesser liegende Mittelbolzen von Elastomerhülsenfedern befestigt sind und daß die äußeren Mantelflächen der Elastomerhülsenfedern mit der Welle verbunden sind. Ferner können die Seitenflächen der Rotornabe über eine axial vorgespannte Klemmverbindung auf der Welle befestigt sein und dk· Welle und die Innenbohrung der Rotornabe können mit den Mantelflächen einer die Welle konzentrisch umgebenden Elastomerhülsenfeder verbunden sein. Diese Anordnung ermöglicht eine genauere Einstellung des Grenzmomentes, weil die Reibkraft der Klemmverbindung lediglich durch den Reibungskoeffizienten und die Klemmkraft bestimmt ist, während bei einem Schrumpfsitz eine Abhängigkeit von nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen besteht

Als Elastomerfedern sind in dem vorliegenden Zusammenhang beispielsweise Gummi-Metallelemente verwendbar, wie sie in der Zeitschrift »Konstruktion«, 1953, Seiten 207 bis 215 beschrieben sind.

Gemäß einer anderen Lösung der gestellten Aufgabe dienen als Reibverbindung an den Seitenflächen der Rotornabe bzw. an gegenüberstehenden Stirnflächen der Welle angeordnete tangential-axial geneigte Gleitebenen die durch axial wirkende Federn unter axiale Vorspannung gesetzt sind. Das Rutschmoment, d. h. das Grenzmoment, bei welchem die vorher starre Reibverbindung in eine elastische Verbindung mit Reibungsdämpfung übergeht, ist dann außer von dem Reibungskoeffizienfn auch von dem Gleitebenenwinkel <% abhängig zusammen mit der über die Federzusammendrückung genau einstellbaren axialen Vorspannkraft. Dadurch ist eine sehr genaue Einstellung des Rutschmomentes möglich. Es empfiehlt sich, den Gleitebenenwinkel <x und die Reibungswerte an den Gleitebenen so zu wählen, (?aß der Reibungswinkel ■£■ = arctg μ (wobei μ der Reibwert ist) kleiner als der Gleitebenenwinkel α ist. Dadurch erreicht man, daß die Teile beim Verschwinden der äußeren Momente wieder in ihre ursprüngliche Lage zueinander zurüe/kehren.

Die Gleitebenen können auf unterschiedliche Weise geschaffen werden. Außer beispielsweise durch stirnseitig gezahnte Gleitebenenringe können die Gleitebenen in vorteilhafter Weise auch durch Kugelkappenschrauben gebildet sein, denen kegelförmige Einsenkungen auf der Gegenseite gegenüberstehen.

Es ist zu erwähnen, daß anstelle der Elasiomerfedern auch die als Maschinenelemente bekannten Drahtkissenfedern benutzt werden können, die sich ebenso wie Tellerfedern zum Einsatz in Kernkraftwerken eignen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die

Fig. 1, 3, 4 und 7 zeigen jeweils Längsschnitte durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Rotor einer elektrischen Maschine. Die

Fig. 2, 5 und 8 ieigen Schnitte entlang der entsprechenden Schnittlinien in den dazugehörigen Längsschnitten. Die

Fig.6 ist, als Teil eines Längsschnittes dargestellt, eine Variante der Ausfuhrungsform gemäß F i g. 4.

Die Rotornabe 1 einer elektrischen Maschine, z. B. einer Erregermaschine für schleifringlos über umlaufende Gleichrichter erregte Synchronmaschinen, ist mit Schrumpfsitz 2 auf der Welle 3 befestigt In den Seitenwänden 4 der Rotornabe sind auf gleichem Durchmesser liegende Mittelbolzen 5 von Elastomerhülsenfedern 6 befestigt (siehe F i g. 1 und 2). Die κι äußeren Mantelflächen der Elastomerhülsenfedern 6 sind ihrerseits in Bohrungen 7 von Kupplungsflanschen 8 befestigt, die ebenfalls auf der Welle 3 aufgeschrumpft sind. Die Kupplungsflansche 8 sind je mit einem weiteren Kupplungsflansch 9 fest verbunden, der auf den Wellenabschnitten 10 sitzt, die zusammen mit der Welle 3 zum Rotorwellenstrang gehören. Zur Verbindung zwischen den beiden Kupplungsflanschen 8 und 9 dienen zwischen den Elastomerhülsenfedern 6 liegende Bolzen ti.

Der Schrumpfsitz 2 der Rotornu&e 1 ist so bemessen, daß die Verbindung bei der Übertragung des normalen Betriebsdrehmomentes fest ist Erst bei Auftreten eines wesentlich höheren Stördrehmomentes, dessen Grenzwert von vornherein festgelegt ist, löst sich die durch den Schrumpfsitz 2 gebildete Reibverbindung und die Rotornabe 1 fängt an, auf der Welle 3 zu rutschen, d. h. die bisherige Reibverbindung geht in eine Gleitverbindung über. Durch die Verdrehung der Rotornabe 1 auf der Welle 3 werden jedoch die Elastomeriiülsenfedern 6 gespannt und üben eine Rückstellkraft aus, weiche die Rotornabe 1 wieder in die Ursprungslage zurückführen will. Durch den Übergang von der Reibverbindung zur Gleitverbindung wird das übertragbare Drehmoment begrenzt und zudem wird eine Verstimmung der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Rotorsystems erreicht, was sich günstig auf die Beherrschung etwaiger Resonanzvorgänge auswirkt

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotornabe 1 durch eine Klemmverbindung mit de^r Welle 3 verbunden. Zu diesem Zweck sind die Seitenflächen 4 der Rotornabe 1 mit schrägen Stützflächen 12 versehen, die sich auf der einen Seite auf entsprechend schrägen Stützflächen 13 des Mupplungsflansches 8 abstützen und auf der anderen Seite auf Stützflächen 14 eines Stützringes 15. Die erforderliche axiale Klemmkraft wird mittels eines Klemmgewinderinges 16 aufgebracht, der sich über die Klemmgewindehülse 17 am benachbarten, auf die Welle 3 aufgeschrumpften Kupplungsflansch 8 abstützt Außerdem sind die Welle 3 unJdie Innenbohrung 18 der Rotornabe 1 mit den Mantelflächen 19 einer die Welle 3 konzentrisch umgebenden Elastomerhülsenfeder 20 verbunden.

Die axiale Klemmkraft, welche die Klemmverbindung herstellt.wird so bemessen, daß die Verbindung erst bei einem wesentlich über dem Betriebsdrehmoment liegenden Stördrehmoment von einer Reibverbindung in eine Gleitverbirdung übergeht, so daß das Stördrehmoment nicht voll übertragen wird. Das Rutschmoment ω läßt sich verhältnismäßig genau einstellen, da es nur durch den Reibungskoeffizienten an den schrägen Stützflächen 12, 13 und 14 und durch die axiale Klemmkraft bestimmt wird. Durch das Rutschen der Rotornabe 1 auf der Welle 3 wird die Elastomerfeder 20 ^h5 gespannt und versucht, mittels ihrer Rückstellkraft wieder die Ursprungslage herzustellen. Der mögliche Verdrehwinke! zwischen der Rotornabe 1 und der Welle 3 ist somit beschränkt.

Ein weiteres Ausfiihriingsbeispiel der Erfindung zeigen die F i g. 4 und 1 Als Renkverbindung /wischen der Rotornabe I und der Welle 3 dienen stirnseitig gezahnte Gleitebencnringe 21/22 mit einem Gleitebenenwinkel ix zwischen der Gleitebene 3i und der Ebene senkrecht zur Wcllenachse. Die Gleitebencnringe 21/22 sind separat ausgebildet, und der Gleitebenenring 21 ist starr an der Seitenfläche 4 der Rotornabe I befestigt. während der Gleitebenenring 22 mit Bolzen 34 an dem Kupplungsflansch 8 der Welle 3 befestigt ist, die gleichzeitig auch zur Verbindung /wischen den Kupplungsflanschen 8 und 9 ausgenutzt werden. Auf der gegenüberliegenden Seitenwand 4 der Rotornabe 1 ist eine axial wirkende Feder 23 vorgesehen, nämlich eine Elastomerringfeder. Weiterhin sind zwischen der Feder 23 und dem auf dieser Seite liegenden Kupplungsflansch 8 dar Welle 3 mehrere Einzelschrauben 24 angeordnet, die auf die Feder 23 eine einstellbare axiale Druckvorspannung ausüben. Diese Druckvorspannung wirkt sich ebenso auf die Gleitebenenringe 21 und 22 aus.

Die Druckvorspannung ist so eingestellt, daß die normalen Betriebsdrehmomente ohne Schwierigkeiten über die dann als reine Reibverbindung wirkenden Gleitringe 21/22 übertragen werden. Bei einem mit Hilfe der axialen Federkraft genau einstellbaren höheren Stördrehmoment, dem sogenannten Grenzmoment, das vom Reibwert μΐη und dem Gleitebenenwinkel λ abhängt, können sich die Gleitebenen gegeneinander verdrehen, so daß höhere Momente nicht mehr in voller Höhe übertragen werden. Solange der Reibungswinkel ρ zwischen beiden Gleitebenenringen 21 und 22 kleiner als der Winkel <x ist, kehren die Gleitebenenringe 21/22 beim Verschwinden äußerer Momente wieder in die ursprüngliche Lage zueinander zurück. Die beschriebene Anordnung hat somit eine stark nichtlineare Charakteristik, und außerdem wirkt sich die Reibungsdämpfung positiv auf die Beherrschung resonanzartiger Störfälle aus. Für die Passung zwischen der Innenbohrung 18 der Rotornabe 1 und der Welle 3 ist. da hier kein Drehmoment übertragen werden muß. ein Übergangsoder höchstens ein leichter Schrumpfsitz ausreichend.

Anstelle der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten separaten Gleitebenenringen 21 und 22 können "· die Gleitebenen ebenfalls direkt auf der Seitenwand 4 der Rotornabe 1 bzw. in die gegenüberliegende Stirnwand des Kupplungsflanschcs 8 eingearbeitet werden.

Fig. 6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, bei welchem die Rotornabe 1 an einem freien Ende der Welle 3 befestigt ist. In diesem Fall kann die axiale Druckvorspannung auf die Feder 23 durch eine Gewindeverschraubung hervorgerufen werden. Das dafür erforderliche Stützgewinde 25 ist direkt auf • der Welle 3 angebracht, und die Spannmutter 26 wird soweit aufgedreht, bis die gewünschte Federkraft im Hinblick auf das Grenzmoment vorhanden ist. Diese Lage der Spannmutter 26 wird durch eine Madenschraube 27 gesichert.

Bei der Ausführur.gsform nach den F i g. 7 und 8 sind schließlich keine zahnartigen Gleitebenen vorhanden, sondern in der einen Seitenwand 4 der Rotornabe 1 sind Kugelkappenschrauben 28 befestigt, denen gleich viele kegelförmige Einsenkungen 29 im Gleitebenenring 22 ■ gegenüberliegen. Als Gleitebenenwinkel λ zählt hier der Neigungswinkel der kegelförmigen Einsenkungen 29.

Außerdem ist als axial vorgespannte Feder ein Tellerfedernpaar 30 verwendet, das mit Hilfe der Gewindchülse 31. die sich am Wellenflansch 8 abstützt, und der Spannmutier 32 die gewünschte Vorspannung erhält. Bei der oberhalb des Grenzmomentes auftretenden Relativbewegungen zwischen Rotornabe 1 und Welle 3 muß auch der Gleitwiderstand zwischen der Tellerfeder 30 und der Seitenwand 4 der Rotornabe 1 überwunden werden. Ansonsten entspricht die Anordnung jedoch in ihrer Funktion uciii Ausführungsbeispie! nach den F i g. 4 und 5.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotornabe auf der Welle mittels einer für das Nennmoment ausgelegten Reibverbindung befestigt ist, die bei einem vorher bestimmten, oberhalb des Nennmomentes liegenden Stördrehmoment in eine Gleitverbindung übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reibverbindung zwischen der Rotornabe (1) und der Welle (3, 10) drehelastische Federn (6; 20) vorgesehen sind, deren Rückstellkraft ausreicht, die Rotornabe (1) nach dem Wegfall des Stördrehmomentes annähernd in ihre ursprüngliche Lage zurückzuschieben.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotomabe (1) mit ihrer Innenbohrung mittels eines Schrumpfsitzes (2) auf der Welle (3,10) befestigt ist, daß an der Seitenwand (4) der Rotornabe (1) auf gleichem Durchmesser liegende Mittelbolze J (5) von Elastomerhüisenfedern (6) befestigt sind und daß die äußeren Mantelflächen der Elastomerhülsenfedern (6) mit der Welle (3, 10) verbunden sind (F i g. 1 und 2).

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (4) der Rotornabe (1) über eine axial vorgespannte Klemmverbindung auf der Welle (3,10) befestigt sind untf daß die Welle (3) und die Innenbohrung (18) der Rotornabe (1) mit den Mantelflächen (19) einer die Welle (3, 10) konzentrisch umgebenden Elastomerhülsenfeder (20) verbunden sind (^v i g. 3).

4. Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotornabe auf der Welle -,nittels einer für das Nennmoment ausgelegten Reibvetbindung befestigt ist. die bei einem vorher bestimmen, oberhalb des Nennmomentes liegenden Stördrehmoment in eine Gleitverbindung übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß als Reibverbindung an den Seitenflächen (4) der Rotornabe (1) bzw. an gegenüberstehenden Stirnflächen der Welle (3, 10) angeordnete tangential-axial geneigte Gleitebenen dienen, die durch axial wirkende Federn (Elastomerringfeder 23; Tellerfedern 30) unter axiale Vorspannung gesetzt sind (F ig. 4 bis 8).

5. Rotor nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitebenen durch Kugelkappenschrauben (28) auf der einen Seite und auf der Gegenseite durch kegelförmige Einsenkungen (29) gebildet sind (F ig. 7 und 8).