DE2928393C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Maschine zeigt die DE-PS 3 67 705, die ins­ besondere einen Staubsaugermotor betrifft, bei dem das Ge­ häuse aus Aluminium besteht, um das Gewicht des Motors zu verringern und gleichzeitig auch eine gute Wärmeableitung zu erzielen.

Die FR-PS 8 98 514 zeigt eine elektrische Maschine, bei der zwischen Stator und Gehäuse Luftkanäle angeordnet sind, um eine gute Kühlung zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß der Ständer über einen großen Betriebstemperaturbe­ reich in seiner Lage festgehalten wird, obwohl der Ständer und die Halterung aus Werkstoffen mit stark unterschiedli­ chen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, und daß ein verbesserte Kühlung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmä­ ßige weitere Ausbildungen.

Der erfindungsgemäße Generator eignet sich zum Einsatz für extreme Anforderungen in einem Temperaturbereich von -54°C bis ca + 180°C, wobei insbesondere der Ständer innerhalb eines Gehäuses sowohl radial als auch axial über dessen gesamten Bereich genauestens positioniert ist und ein Stromausfall, wie er durch eine Verschiebung während des Betriebs möglich wäre, mit Sicherheit verhindert wird. Eine zusätzliche Befestigung durch Schrauben, die bei Ge­ neratoren mit Öleinspritzkühlung eine Dichtung erfordern, ist durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht mehr nö­ tig. Durch die Anordnung von Längsnuten in den Verbin­ dungsflächen wird ein Biegen des Gehäuses im Bereich der Längsnuten ermöglicht, wenn der Generator im unteren Teil des Temperaturbereichs läuft, wodurch in der Gehäusewandung eine Spannung resultiert, die eine Kombination von innerer Zugbeanspruchung und Biegen ist. Dabei sind die resultie­ renden Spannungswerte geringer als die äquivalente innere Zugbeanspruchung ohne das Vorhandensein von Längsnuten.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des erfin­ dungsgemäßen Generators dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen zentralen Schnitt durch den Generator;

Fig. 2 einen vertikalen Teilschnitt in größe­ rem Maßstab längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Teilansicht, die eine zusätzliche Ständer-Festlegeeinheit zeigt;

Fig. 4 eine Schnittansicht 4-4 nach Fig. 3;

Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform des Generators; und

Fig. 6 einen vertikalen Teilschnitt 6-6 nach Fig. 5.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 bis 4 besteht ein Gehäuse 10 mit einem im wesentlichen zylindrischen Innen­ raum aus einem Leichtmetall wie Magnesium, das eine rela­ tiv hohe Wärmeausdehnungszahl hat. Im Gehäuse 10 sind zwei Ständer 11 und 12 befestigt, die typischerweise aus Eisen­ blechen bestehen. Jeder Ständer trägt eine Wicklung 14 bzw. 15. Den Ständern 11 und 12 sind geschichtete Läufer­ kerne 16 und 17 zugeordnet und auf einer gemeinsamen Welle 20 angeordnet, die im Gehäuse in Lagern drehbar gelagert ist, wobei die Lager ein am Gehäuse abgestütztes Lager 21 umfassen, das an einem Ende der Welle positioniert ist.

Bei Verwendung des Generators in einem Flugzeug ist mit Temperaturen im Bereich zwischen ca. -54°C und ca. 180°C zu rechnen; dies ist ein Betriebstemperatur-Bereich von ca. 234°C. Die Ständer 11 und 12 sind dem Gehäuse 10 im Preßsitz zwischen Ständern und Gehäuse zugeordnet. Wenn der Generator dem vorstehenden Temperaturbereich ausge­ setzt ist, wird ein Preßsitz gewählt, der etwas oberhalb der höchsten Betriebstemperatur, z. B. bei ca. 204°C, in einer Außen- oder Spielpassung resultiert. Bei jeder un­ terhalb 204°C liegenden Temperatur besteht zwischen dem Außendurchmesser der Ständer 11 und 12 und dem Innendurch­ messer des Gehäuses 10 eine Preßsitzverbindung. Auf diese Weise ist der Ständer jederzeit genau positioniert und über den gesamten Betriebstemperatur-Bereich festgelegt. Diese Art des Zusammenfügens ergibt sich, wenn die Ständer bei erhöhter Gehäusetemperatur in das Gehäuse eingesetzt werden.

Um ein durch innere Zugbeanspruchung bedingtes Nachgeben des Gehäuses 10 oder ein durch Druckbeanspruchung beding­ tes Nachgeben des Ständers bei den niedrigeren Temperatu­ ren, denen der Generator ausgesetzt ist, zu verhindern, ist an der Innenfläche des Gehäuses eine Serie von Längs­ nuten oder -ausschnitten 30, 31 und 32 ausgebildet. Alter­ nativ können die Längsnuten auch an der Außenfläche des Ständers ausgebildet sein. Zwischen den Längsnuten ver­ bleiben Zwischenabschnitte 33, 34 und 35 der Gehäuseinnen­ fläche, die mit der Ständeraußenfläche im Preßsitz verbun­ den sind.

Im Bereich der niedrigeren Betriebstemperaturen können die unabgestützten Wölbungsabschnitte des Gehäuses, die zwischen den Zwischenabschnitten 33 bis 35 liegen, durch Biegen ausgelenkt werden, so daß die Gehäusewandung eine kombinierte Zug- und Biegebeanspruchung erfährt, wo­ bei die resultierenden Beanspruchungswerte geringer als eine äquivalente Zugbeanspruchung sind, die sich aus dem gleichen Preßsitz, jedoch ohne die Längsnuten 30 bis 32, ergibt.

Die Längsnuten 30 bis 32 bilden ferner einen Ölströmungs­ weg im Generator zwischen dessen gegenüberliegenden Enden. Bei Anwendung in einem Flugzeug muß das Kühlöl von einem Generatorende zum anderen strömen, während manövrierbe­ dingte Schräglagen des Flugzeugs auftreten. Ohne die Längsnuten müßte das Öl durch den Luftspalt zwischen Läu­ fer und Ständer hindurchtreten, was unerwünscht ist, da sich hierbei hohe Ventilationsverluste ergeben. Ferner ist durch diesen Aufbau auch eine gewisse Eisenblech-Rückküh­ lung gegeben. Das Kühlöl kann sämtliche Oberflächen des Ständers mit Ausnahme der mit dem Gehäuse im Preßsitz ver­ bundenen Bereiche kontaktieren, wodurch Wärme in wirksamer Weise von der Ständerbaugruppe abgeführt und die Standzeit des Isoliersystems verlängert wird.

Es wurden zwar drei Längsnuten oder -ausschnitte erläu­ tert. Erwünschtenfalls könnte jedoch auch eine größere Anzahl verwendet werden. Durch entsprechende Wahl des ur­ sprünglichen Preßsitzes, der Gehäusewandstärke und des Verhältnisses von Preßsitzbereich und Nutenbereich kann ein weiter Bereich von Federkonstanten und Haltekräften oder -drücken erhalten werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Aufbau, der die Festlegung des Ständers in seiner Lage bei Überschreiten der höchsten Betriebstemperatur des Generators sicherstellt. Dem Stän­ er und dem Gehäuse sind mehrere Federbügel 40 gleichbeab­ standet zugeordnet; ein Federbügel ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Der Federbügel 40 sitzt in einem Schlitz 41 des Gehäuses 10, und mit einer Drehmomentschraube 42 wird der Ständer 11 in Anlage an eine Schulter 43 gedrückt, die in der Innenfläche der Gehäusewandung ausgebildet ist. Wie insbesondere aus Fig. 4 hervorgeht, sind der Schlitz 41 und der Federbügel 40 so geformt, daß ein Verdrehen des Ständers unterbunden wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 besitzt das Gehäuse 10 einen Innenraum, der beträchtlich größer als der Durchmesser des Ständers 11 ist. Eine Halteeinheit in Form eines dreischenkligen Rings ist dem Ständer und dem Gehäuse zum genauen Positionieren und Festlegen des Ständers in der erwünschten Lage zugeordnet. Der Ring 50 besitzt eine Serie von radial verlaufenden Schenkeln 51, 52 und 53, die mit dem Ring einstückig ausgeführt sind und nach außen zur Innenfläche der Gehäusewandung vorstehen. Nach Fig. 5 hat jeder Schenkel eine äußere Endfläche 55, die mit der Innenfläche der Gehäusewandung im Preßsitz zu­ sammengefügt ist. Eine jedem Schenkel zugeordnete Halte­ schraube 56 sichert den Schenkel so am Gehäue, daß der Ring festgelegt ist und eine Axial- und Drehbewegung ver­ hindert wird.

Für den vorher erläuterten Temperaturbereich besteht der Ring 50 aus einem Werkstoff, z. B. Aluminium, der eine höhere Wärmeausdehnung als der Ständer 11 hat. Wie bereits in Zusammenhang mit dem Gehäuse 10 und dem Ständer 11 in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 erläutert wurde, sind die Abmessungen des Ständers 11 und des Rings 50 so gewählt, daß bei einer Temperatur oberhalb der normalen Höchsttemperatur eine Außenpassung resultiert, so daß über den gesamten normalen Betriebstem­ peratur-Bereich zwischen beiden Teilen Preßpassung vorhan­ den ist. Die Innenfläche des Rings 50 weist Längsnuten oder -ausschnitte 60, 61 und 62 auf, so daß zwischen den Längsnuten Kontaktabschnitte 63, 64 und 65 gebildet sind, die mit der Außenfläche des Ständers 11 im Preßsitz ver­ bunden sind.

Bei Betrachtung der Dimensionen der mit dem Ring ein­ stückigen Schenkel 51 bis 53 ist ersichtlich, daß die effektive Länge der Schenkel nach der Montage und der Rückkehr des Ständers und des Rings auf Raumtemperatur abnimmt, und zwar infolge einer Biegebewegung des Rings 50 aufgrund der Längsnuten 60 bis 62. Daher muß die ursprüng­ liche Länge des Schenkels 51 bis 53, gemessen von der geo­ metrischen Mitte des Rings, gering größer als der halbe Innendurchmesser des Gehäuses 10 sein. Da sich die Tem­ peratur der Baugruppe ändert, ändert sich ferner die effektive Länge der Schenkel aufgrund von Dehnung oder Kontraktion mit einer Geschwindigkeit, die von den rela­ tiven Dehnungsraten des Rings 50 und des Ständers 11 und dem Betrag der durch die Preßpassung zwischen beiden be­ wirkten Auslenkung abhängt. Durch sorgfältige Wahl der Dicke des Rings 50, des Verhältnisses und der Bogengrade zwischen den Längsnuten 60 bis 62 und den Preßsitz-Kon­ taktabschnitten 63 bis 65 sowie des Werkstoffs für den Ring 50 kann die effektive Länge der Schenkel so sein, daß die Schenkel sich mit der gleichen linearen Geschwindig­ keit wie das Magnesiumgehäuse ausdehnen, obwohl der Ring und die Schenkel z. B. aus Aluminium bestehen. Dieses Er­ gebnis wird erzielt durch Ausnutzen des Merkmals der "Aus­ lenkwölbung", die sich durch die Längsnuten 60 bis 62 er­ gibt. Jeder der drei Schenkel 51 bis 53 ist zentral über einer der Längsnuten 60 bis 62 angeordnet, so daß die Kon­ taktbereiche zwischen dem Ring und der Außenfläche des Ständers und dem Schenkel um 60° beabstandet sind. Bei der Montage des Ständers und des Rings nimmt der Radius des Ständers am Kontaktpunkt mit dem Ring infolge der nach innen gerichteten Auslenkung aufgrund der Preßpassungs­ kraft ab. Gleichzeitig hat der Radius des Rings 50 die Tendenz, an den Kontaktbereichen aus den gleichen Gründen zuzunehmen. Diese auswärts gerichtete radiale Auslenkung des Rings 50 an den Kontaktbereichen bewirkt eine nach innen gerichtete Auslenkung im Bereich der Längsnuten. Da­ durch ergibt sich eine Verminderung der effektiven Länge der drei Schenkel, die mit der Innenfläche des Gehäuses 10 in Kontakt stehen.

Bei der Konstruktion besteht der erste Schritt in der Be­ stimmung der Preßpassung zwischen dem Ständer 11 und dem Ring 50. Unter der Annahme, daß bei 204°C eine Außenpas­ sung bestehen soll und der Ständer 11 einen Außendurchmes­ ser von z. B. 101,6 mm hat, wobei der Ständer aus Eisen und der Ring aus Aluminium bestehen, kann dann berechnet werden, daß der Innendurchmesser des Rings 50 101,396 mm betragen sollte. Eine Drehung des Rings 50 auf 204°C re­ sultiert in einer Vergrößerung des Rings-Innendurchmessers in einem solchen Maß, daß die Außenpassung erhalten wird.

Der nächste Schritt besteht darin, daß Auslenkverhältnis zwischen dem Ring 50 und dem Ständer 11 zu bestimmen, wo­ bei die Gesamtauslenkung berücksichtigt werden muß, die die Differenz zwischen dem Ständer-Außendurchmesser und dem Ring-Innendurchmesser ist. Bei einem Beispiel beträgt die auswärts gerichtete Auslenkung des Rings an den Kon­ taktbereichen ca. 0,124 mm. Im nächsten Schritt wird die Passung zwischen den Außenflächen 55 der Schenkel 51 bis 53 und der Innenfläche des Gehäuses 10 bestimmt, wobei die Forderung nach einer Außenpassung bei 204°C besteht. Bei einem Beispiel ist bei einem Gehäuse-Innendurchmesser von ca. 172,72 mm bei 21,1°C der durch die Flächen 55 der Schenkel bei 21,1°C definierte effektive Außendurchmesser ca. 172, 834 mm. Dadurch ergibt sich eine geforderte Aus­ lenkung von 0,114 mm, wobei festgestellt werden kann, daß 89% des Betrags der auswärts gerichteten Auslenkung des Aluminiumrings an den Kontaktstellen 0,111 mm ist. Dies bedeutet, daß die Anfangsmontage der Teile eine ausrei­ chende Einwärtswölbung des Rings 50 im Bereich der Nuten zur Folge hat, um eine so große effektive Einwärtsbewegung der Schenkel zu bewirken, daß der Außendurchmesser der Schenkel in wirksamer Weise auf den Wert gebracht wird, der gleich dem Gehäuse-Innendurchmesser ist.

Die vorstehende Beziehung kann dadurch geprüft werden, daß bei Raumtemperatur von z. B. 21,1°C festgestellt wird, daß eine Preßpassung von 0,002 mm besteht, weil der wirk­ same Außendurchmesser der Schenkel 51 bis 53 des Rings aufgrund des Preßsitzes des Rings auf dem Ständer 11 172,72 mm beträgt. Beim Berechnen der bei 177°C auftre­ tenden Dehnung wurde gefunden, daß der Innendurchmesser des Gehäuses 10 173,439 mm beträgt, während der effektive Außendurchmesser der Ringschenkel 51 bis 53 172,441 mm ist, so daß die Preßpassung mit einem Wert von 0,002 mm aufrechterhalten wird. Eine entsprechende Analyse kann für -54°C durchgeführt werden, um zu zeigen, daß die Passung zwischen den Schenkeln und dem Gehäuse 10 gleich bleibt.

Durch sorgfältige Wahl der Werkstoffe des Rings 50 und des Gehäuses 10, z. B. Aluminium und Magnesium, zusammen mit der Ringdicke und des Verhältnisses zwischen den Längsnu­ ten 60 bis 62 und den Kontaktabschnitten 63 bis 65 ist es möglich, die gleichbleibende Preßpasssung zwischen den Schenkel-Endflächen 55 und der Innenfläche des Gehäuses 10 aufrechtzuerhalten.

Claims (9)

1. Generator, mit einem Gehäuse aus Aluminium, in dem ein Ständer befestigt und ein Läufer relativ zum Ständer dreh­ bar montiert ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Ständer (11) eine Außenfläche hat, die über den gesamten Betriebstemperatur-Bereich des Generators im Preßsitz an einer Innenfläche des Gehäuses (10) anliegt, und
• - daß in einer der Flächen eine Mehrzahl Längsnuten (30 bis 32) ausgebildet ist, so daß das Gehäuse (10) im Be­ reich der Längsnuten (30 bis 32) biegbar ist, wenn der Generator im unteren Abschnitt des Temperaturbereichs läuft.

2. Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen dem Ständer (11) und dem Gehäuse (10) angeordnete Festhaltemittel für die Sicherung des Ständers (11) bei Überschreitung des normalen Betriebstemperatur-Bereichs.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festhaltemittel aus einer ringförmigen Schulter (43) im Gehäuse (10), an der der Ständer (10) anliegt, und Federbügeln (40) bestehen.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbügel (40) in einer entsprechend geformten Öffnung (41) am Gehäuse (10) anliegen.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ring (50) zum Haltern des Ständers (11) relativ zum Gehäuse (10), wobei Ständer (11) und Ring (50) aus Werk­ stoffen mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen bestehen und der Ständer (11) eine Außenfläche hat, die an einer Innenfläche des Rings (50) über den gesamten Be­ triebstemperatur-Bereich des Generators im Preßsitz an­ liegt, und mehrere in einer der Flächen gebildete Längs­ nuten (60 bis 62), so daß der Ring (50) im Bereich der Längsnuten (60 bis 62) biegbar ist, wenn der Generator im unteren Teil des Temperaturbereichs läuft.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (50) eine Mehrzahl radial verlaufende Schen­ kel (51 bis 53) aufweist, die mit dem Gehäuse (10) über den gesamten Betriebstemperatur-Bereich des Generators in enger Passung in Anlage stehen.

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Schenkel (51 bis 53) in bezug auf jede Längsnut (60 bis 62) so orientiert sind, daß der Ring (50) im Bereich jeder Längsnut (60 bis 62) als Aus­ lenkwölbung für den jeweils benachbarten Schenkel (51 bis 53) wirkt.

8. Generator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungszahl des Ringes (50) zwischen derjenigen des Gehäuses (10) und derjenigen des Ständers (11) liegt, wobei der Ring (50) den Ständer (11) umgibt und mehrere begrenzte Preßsitz-Kontaktbereiche (63 bis 65) mit dem Ständer (11) hat und Ausschnitte in der Ringfläche Nuten (60 bis 62) zwischen diesen Kontaktbereichen (63 bis 65) bilden und vom Ring (50) mehrere damit einstückige Schenkel (51 bis 53) nach radial außen verlaufen und an ihren äußeren Enden (55) mit dem Inneren des Gehäuses (10) über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Generators in Preßsitz-Verbindung stehen.

9. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel (51 bis 53) zwischen zwei begrenzten Kontaktbereichen (63 bis 65) liegt, so daß die äußeren Enden (55) der Schenkel (51 bis 53) im Preßsitz im Gehäuse (10) festgelegt sind.