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Zweipolige dynamoelektrische Maschine
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Die Erfindung bezieht sich auf zweipolige dynamoelektrische Maschinen
und insbesondere auf zweipolige Maschinen mit einem unterbrochenen Rotor zur Dämpfung
von Maschinenvibrationen.
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Bisher sind zweipolige Rotoren für dynamoelektrische Maschinen üblicherweise
als ein massives Paket aus Lamellen bzw. Blecl-<n ohne Abstand dazwischen aufgebaut
worden, wie es beispielsweise in der US-PS 3 234 419 beschrieben ist, während Rotoren
von Maschinen mit mehr als zwei Polen die Rotorbleche zu axial getrennten Blechgruppen
geschichtet wurden. Beispiele für derartige Maschinen mit vier oder mehr Polen sind
in den US-Patentschriften 3 335 308, 3 134 040 und 3 401 280 beschrieben. Die Basis
für die verschiedenen Rotorformen ist vorwiegend das Ergebnis von Gestalungsbegrenzungen,
die einem zweipoligen Rotor auferlegt sind.
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Insbesondere ist der axiale Abstand zwischen den Blechgruppen in Rotoren
mit mehr als zwei Polen vorgesehen, damit ein Kühlmittel, wie beispielsweise Luft,
zwischen Blechgruppen, die aus axialen Durchlässen strömen kann, die sich durch
den Rotor hindurch erstrecken, um große Wärmemengen, die in dem Rotor erzeugt werden,
abzuführen. Die begrenzte Spanne zwischen der Rotorwelle und den Wicklungen von
zweipoligen Rotoren (die aus dem relativ kleinen Durchmesser des zweipoligen Rotors
relativ zu einem Rotor für eine Maschine mit vier oder mehr Polen resultiert) negiert
im allgemeinen die Verwendung von axialen Kühlkanälen in einem üblichen zweipoligen
Rotor. Da die radialen Durchlässe in dem Rotor normalerweise unwirksam sind für
Kühl zwecke ohne das Vorhandensein von axialen Rotorkanälen für eine Kühlmittelströmung
sind zweipolige Rotoren bisher üblicherweise als ein einzelnes Blechpaket gebildet
worden, wobei die Rotorkühlung durch den Durchtritt von Kühlmittel durch Rücksprünge
in den Nuten des benachbarten Stators herbeigeführt wurde
übliche
Zweipolige Maschinen der vorstehend genannten Art können jedoch Vibrationsproblemen
ausgesetzt sein, die eine unter der Norm liegende Leistungsfähigkeit der Maschine
zur Folge haben.
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Es wurde die Theorie aufgestellt, daß die unerwünschten Vibrationen
ursprünglich durch die unterschiedliche thermische Expansion zwischen den Rotorblechen
und den Rotorleiterstäben erzeugt werden, d. h. die thermische Expansion der aus
Aluminium oder Kupfer bestehenden Rotorleiterstäbe aufgrund des Stromflusses unterscheidet
sich von der thermischen Expansion, die durch den Wirbel- und Magnetisierungsstromfluß
in den Stahlblechen erzeugt wird. Aufgrund dieser Theorie der unterschiedlichen
Expansion werden die Bleche durch die unterschiedlichen Expansionskräfte verformt,
und diese Verformung wird auf die Welle übertragen, wodurch die Welle gebogen wird.
Die Biegewirkung der Welle ist direkt übertragbar auf einen im Ungleichgewicht befindlichen
Zustand in dem Rotor, was eine erhöhte Vibration in der Maschine zur Folge hat,
da die Temperatur des Rotors während des Betriebes ansteigt.
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Unter den bisher bekannten Konstruktionen, die zur Verminderung des
Vibrationsproblemes in zweipoligen Maschinen verwendet oder vorgeschlagen wurden,
befindet sich die Anbringung der Maschine in einem Schwingungen absorbierenden Rahmen,
um die Wirkungen der Vibration möglichst klein zu machen. In ähnlicher Weise wurde
der Aufbau von Harmonischen der Vibration gedämpft, indem die Resonanzfrequenz der
Maschinenbefestigung verändert wurde.
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Eine der wirksameren Konstruktionen zur Bekämpfung von Vibration in
zweipoligen Maschinen ist die Verwendung eines relativ kleinen Wellenkörpers relativ
zur Paketlänge. Die Rotorbleche an gegenüberliegenden Enden der Welle sind somit
im Abstand zur Welle angeordnet und haben nicht die Tendenz, die Welle zu biegen.
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Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der vorstehend genannten
US-PS 3 234 419 beschrieben. Andere Techniken, die bisher ebenfalls zur Bekämpfung
der Rotorvibration in zweipoligen Maschinen verwendet wurden, beinhalten die Verwendung
von Rotorwellen mit einem unnormal großen Durchmesser und verschiedene thermische
Verfahren während der Rotorfertigung.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß das Rotorvibrationsproblem
von zweipoligen dynamoelektrischen Maschinen dadurch gelöst, daß die die Verformung
erzeugenden Kräfte verkleinert werden, anstatt daß allein die Wirkungen der Vibration
gemindert werden. Diese Senkung der die Vibration erzeugenden Kräfte wird dadurch
erreicht, daß der zweipolige Rotor aus getrennten, axial zueinander beabstandeten
Blechgruppen gebildet wird, ungeachtet der Tatsache, daß durch die somit gebildeten
radialen Durchlässe geringfügige Kühlvorteile in dem Rotor erhalten werden. Aufgrund
des Fehlens von axialen Kanälen in den Rotorblechen zu Kühlzwecken wird postuliert,
daß die Verminderung der Rotorvibrationen in dem zweipoligen Rotor gemäß dieser
Erfindung durch das Fehlen der Wechselwirkung zwischen Blechgruppen erreicht wird,
wodurch der kummulative Aufbau von unterschiedlichen thermischen Expansionskräften
über der gesamten Rotorlänge verhindert wird. Es sind zwar zweipolige Rotoren, die
aus axial beabstandeten Blechguppen gebildet sind, bisher in einigen spezialisierten
zweipoligen Motoren verwendet worden, aber diese Rotoren waren aus Lamellen bzw.
Blechen gebildet, die axial verlaufende Luftkanäle (typischerweise unterhalb den
Rotorstäben angeordnet) zur Kühlung des Rotors in Verbindung mit den radialen Kanälen
zwischen den Blechgruppen enthielten.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine zweipolige dynamoelektrische
Maschine mit einem Rotor mit einem verbesserten Aufbau zu schaffen.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine zweipolige dynamoelektrische
Maschine zu schaffen, bei der die Vibration wesentlich vermindert und eine größere
Stabilität erhalten ist.
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Erfindungsgemäß wird eine zweipolige Maschine mit einem Rotor geschaffen,
der aus Gruppen von Magnetblechen gebildet ist, die an axial beabstandeten Stellen
entlang einer durch die Mitte der Bleche hindurchführenden Welle gestapelt sind.
Die getrennten Blechgruppen sind in axial beabstandeter, zusammengesetzter Relation
durch geeignete Mittel gehalten, die vorzugsweise
die Leiterstäbe
des Rotors umfassen, die in axialer Richtung durch die Rotorstabnuten hindurchführen,
welche kreisförmig auf dem Umfang der Rotorbleche angeordnet sind. Wenn beispielsweise
die Rotorstäbe aus Aluminiumguß bestehen, können die Gießstifte, die während des
Gießvorganges zum Trennen der Blechgruppen verwendet werden, so angeordnet sein,
daß geschmolzenes Aluminium zwischen die Blechgruppen überfließen kann, um eine
Schulter oder einen Abstandshalter zu bilden, der zur Verriegelung der Bleche in
axialer Lage dienen. Wenn die Rotorstäbe vorgeformt sind, beispielsweise extrudierte
Kupferstäbe, wird der zusammengesetzte Rotor vorzugsweise in ein geeignetes Klebmittel,
wie beispielsweise ein Epoxid- oder Lackbad, eingetaucht, um die getrennten Blechgruppen
in ihrer Lage zu befestigen. Trotz der Tatsache, daß der Rotor aus axial beabstandeten
Blechgruppen gebildet wird, wird eine minimale Kühlverbesserung erhalten, da die
axialen Luftkanäle in den Blechgruppen fehlen.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht von einem erfindungsgemäß
aufgebauten Rotor.
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Figur 2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem oberen
Abschnitt eines zweipoligen Motors mit dem Rotor gemäß Figur 1.
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Figur 3 ist eine teilweise weggebrochene Schnittansicht entlang der
Li.nie 3 - 3 in Figur 2.
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In Figur 1 ist eine Rotor 10 für eine zweipolige dynamoelektrische
Maschine gemäß der Erfindung gezeigt, die mehrere Gruppen 12 aus Magnetblechen aufweist,
die an axial beabstandeten Stellen auf der Welle 14 befestigt sind. Mehrere Rotorleiterstäbe
16, die in den Figuren als Aluminiumguß dargestellt sind, erstrecken sich axial
über die gesamte Länge des Rotors durch
fluchtende Rotorschlitze
hindurch, die kreisförmig neben dem Umfang der Bleche angeordnet sind. Schultern
oder Abstandsmittel 18 (in Figur 2 dargestellt), die in radialer Richtung in Umfangsrichtung
von den Rotorstäben weg verlaufen, sind ebenfalls während des Gießens der Stäbe
ausgebildet, um die zylindrischen Blechgruppen in einer axial beabstandeten Lage
auf der Welle 14 zu halten. Jede der zylindrischen Gruppen 12 ist aus einer Vielzahl
von Stahlstanzteilen oder Blechen 20 gebildet und ist axial von einer benachbarten
Gruppe durch eine Spanne beabstandet, die ausreicht, die Übertragung von Verformungskräften
zwischen Blechgruppen zu verhindern. Typischerweise ist eine axiale Spanne von mehr
als 0,05 mm (2 mils) zwischen den Blechgruppen wün-chenswert, obwohl die optimale
Spanne zwischen den Blechgruppen variiert in Abhängigkeit von Faktoren, wie dem
Durchmesser und der Betriebstemperatur des Rotors. In üblicherweise enthält jedes
Blech eine Mittelöffnung 22 (in Figur 3 gezeigt) und mehrere Umfangsöffnungen oder
Rotorstabnuten 24, die nahe dem Rotorumfang gleichmäßig und auf einem Kreis beabstandet
sind. Die Mittelöffnung 22, die die Rotorwelle 14 aufnimmt, enthält normalerweise
auch eine Keilnut 26 zur Aufnahme eines Keils 28, der auf der Welle angebracht ist,
obwohl die Verkeilung der Bleche auf der Welle nicht notwendig ist, wenn eine ausreichend
feste Schrumpfpassung zwischen der Welle und den Blechen erhalten ist. Wie aus Figur
3 ersichtlich ist, sind die Rotorbleche übliche zweipolige Rotorbleche, d. h.
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sie sind im wesentlichen frei von öffnungen (andere als für die Rotorleiterstäbe
und die Welle), durch die ein Kühlmittel wie Luft zu Ventilationszwecken axial hindurchströmen
kann.
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Der Rotor 10 wird vorzugsweise in einer Weise ausgebildet, wie es
für die Fertigung von Rotoren mit mehr als zwei Polen üblich ist, d. h. alle Bleche
20 werden axial auf einen aufrechten Dorn (nicht gezeigt) gestapelt, wobei die Keilnut
in den Blechen die fluchtende Ausrichtung der Mittelöffnungen 22 und der Rotorstabnuten
24 von jedem Blech 20 sicherstellt. Die Bleche 20 werden auf den Dorn gestapelt,
bis die Höhe 30 der ersten zylindrischen Gruppe erreicht ist. Diese Höhe variiert
für jede Maschine in Abhängigkeit von Faktoren wie dem Durchmesser der Bleche, dem
Wellendurchmesser und der Gesamtlänge des Rotors. Die Länge von jeder Blechgruppe
in
dem fertigen (d. h. gepreßten) Rotor sollte jedoch im allgemeinen 180 mm (7 Zoll)
nicht überschreiten und sollte nicht kleiner als 12,5 mm (1/2 Zoll) sein, um eine
Vibration in dem Rotor zu hemmen. Nachdem die gewünschte Anzahl an eine Gruppe b-ildender
Bleche auf dem Dorn gestapelt worden ist, werden Gießstifte (nicht gezeigt) radial
auf der Oberseite des zuletzt angeordneten Bleches angeordnet und ein keramisches
Dichtmaterial (nicht gezeigt) wird um die Innenspitzen der Gießstifte nahe der Mittelöffnung
22 der Bleche 20 herum angepaßt. Die Gießstifte und das keramische Dichtmaterial
sind nicht gezeigt und werden auch nicht im einzelnen beschrieben, da die Verwendung
dieser Stifte und des Dichtmaterials bei einem Gießverfahren üblich und bekannt
ist.
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Es werden auch Gießstifte in bezug auf die Rotorstabnuten 24 angeordnet,
so daß die in radialer Richtung und in Umfangsrichtung verlaufenden Schultern 18
während des Gießens gebildet werden. Im allgemeinen werden die Stifte zur Bildung
von Schultern angeordnet, die sich von den Gußstäben um eine Strecke nach außen
erstrecken, die üblicherweise größer als 0,025 mm (1 mil) ist und die ausreicht,
um eine axiale Verschiebung von einer Blechgruppe relativ zur anderen zu hemmen.
Die vorstehend beschriebene Anordnung der Bleche, Gießstifte und des keramischen
Dichtmaterials blockiert auf wirksame Weise jeden Durchlaß, der von der Rotornuten
24 zur Mittelöffnung in den Rotorblechen führt. Das Stapeln der Bleche 20 und das
Anordnen der Gießstifte und der Keramikdichtung wird fortgesetzt, bis die gewünschte
Anzahl zylindrischer Gruppen (in dem fertigen Motor sind 5 gezeigt) der Bleche auf
dem Dorn angeordnet worden sind.
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Die axiale Ausrichtung der Rotornuten 24 während des Stapelns von
irgendeiner Gruppe der Rotorbleche und die weitere Ausrichtung der Rotorstabnuten
aller Blechgruppen, wenn aufeinanderfolgende Gruppen gestapelt werden, dienen zur
Bildung mehrerer bogenförmig versetzter axialer Durchlässe, die sich von einem ersten
Ende 31a zu einem zweiten Ende 31b des Rotors erstrecken. Die gesamte Anordnung
wird dann in eine bekannte Form eingebracht,
und nach dem Pressen
des Stapels wird geschmolzenes Aluminium durch die Kanäle geleitet, um elektrisch
leitende Rotorstäbe 16 zu bilden, die zusätzlich zur Halterung der Blechgruppen
in axial beabstandeter, zusammengesetzter Lage in bezug zueinander dienen.
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Die Endringe 32 und Lüfterblätter 34 für den Rotor werden ebenfalls
während des Gießens der Rotorstäbe gegossen. Nach dem Gießen der Rotorstäbe und
dem Entfernen der Form, der Gießstifte und des keramischen Dichtmaterials werden
die Rotorbleche auf die Rotorwelle 14 aufgeschrumpft, um die Rotormontage zu beenden.
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Der Rotor wird dann axial in einen Stator 36 mit einer bekannten Spulenweite,
die typischerweise 1/2 oder 2/3 der Polweite beträgt, eingebracht, um zwei elektrische
Pole zu erzeugen, d. h. einen elektrischen Nord- und einen elektrischen Südpol,
beim Anlegen der Statorwicklungen 38 an eine Wechselspannungsquelle. Wie bei einem
Zweipolmotor üblich, würde der Stator mit einem Rücksprung 40 (s. Figur 3) zwischen
den Statorwicklungen und dem radial inneren Umfang der Statorbleche versehen, um
eine Kühlung des Rotors durch die axiale Luftströmung durch die Statorrücksprünge
hindurch zu gestatten.
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Wenn der Rotor 10 unter Verwendung vorgeformter oder extrudierter
Kupferrotorstäbe gebildet werden, werden die Bleche wiederum auf einem Dorn angeordnet,
um eine axiale Ausrichtung zwischen den Rotornuten zu erzeugen, und es werden Abstandshalter
(wie beispielsweise herausnehmbare Stahleinsätze) zwischen Blechgruppen angeordnet.
Nachdem der Stapel gepreßt ist und die Rotorleiterstäbe durch die ausgerichteten
Rotornuten hindurchgetrieben sind, wird der Rotor in ein Kleberbad, beispielsweise
ein Epoxid- oder Lackbad, eingetaucht und langsam gedreht, um das Blechpaket und
die Rotorstäbe zu überziehen. Wenn das Trocknen des Klebers auf dem Rotor abgeschlossen
ist, um die axial beabstandeten Blechgruppen in iherer Lage zu befestigen, werden
die aus Stahl bestehenden Abstandshalter aus dem Rotor herausgenommen, um zu verhindern,
daß die Abstandshalter während des Motorbetriebes durch die Zentrifugalkraft aus
dem Rotor herausgeschleudert werden.
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Selbstverständlich können eine geringe Vibration aufweisende zweipolige
Maschinen gemäß der Erfindung auch in anderen Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Beispielsweise kann die Abstandsbildung zwischen Blechgruppen dadurch erreicht werden,
daß Abstandshalter an bogenförmig beabstandeten Stellen auf dem Umfang eines Rotorbleches
angeschweißt werden, anstatt daß die Rotorstäbe verwendet werden, um die Blechgruppen
im Abstand zu halten.