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Rotor für eine elektrische Maschine
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für elektrische Maschinen der
im Patentanspruch angegebenen Gattung und kann besonders vorteilhaft in Wasserkraftgeneratoren
großer Leistung verwendet werden.
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Es ist ein Rotor für eine elektrische Maschine aus z. B. dem Sachbuch
von A.I. Abramov und A.V. Ivanov "Projektierung von Wasserkraftgeneratoren und Synchronkompensatoren",
Moskau, Verlag "Wysshaja shkola", 1978, S. 36 bekannt, der einen Rotorstern mit
Welle und einen auf dem Stern angeordneten Kranz enthält. Der Kranz ist aus einzelnen
flachen Ringen geschichtet aufgebaut, die untereinander zu einem Zylinder durch
Zuganker verbunden sind. An der Außenfläche des Kranzes sind die Rotorpole befestigt.
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Der maximale Außendurchmesser der Kranzringe, der die maximalen Ausmaße
des Rotors bestimmt, wird durch die Bahnprofilgängigkeit begrenzt. Aus diesem Grund
hat der Rotor nur ein begrenztes Verwendungsgebiet und kann in elektrischen Maschinen
großer Leistung, bei denen der Außendurchmesser der Kranzringe ca. 5 m und mehr
beträgt, nicht eingesetzt werden.
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Es ist auch ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt (s. z.
B. das Buch von V.V. Dombrovski u. a.
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"Projektierung von Wasserkraftgeneratoren", Verlag "Energija", Moskau-Leningrad,
1965, Teil I, S. 16-17, Abb. 8, 9, Teil II, S. 146), der einen auf der Welle angeordneten
Rotorstern und einen auf dem Stern befestigten zylindrischen Kranz enthält, welcher
aus zu Ringen zusammengebauten Segmenten aus dünnen Dynamoblechen geschichtet ist,
wobei die Stöße zwischen den Segmenten in den benachbarten Schichten gegeneinander
versetzt sind und nicht zusammenfallen. Die Schichten des Kranzes sind in axialer
Richtung mittels Zugbolzen zusammengespannt, die Öffnungen in den Segmenten durchragen.
An der Außenfläche des Kranzes sind Längsnuten ausgeführt, in denen das Erregungssystem
des Rotors befestigt ist, und zwar Pole bei einem Schenkelpolrotor und die Erregerwicklung
bei einem Volltrommelrotor. Ein solcher Rotor kann infolge der Ausführung der Kranz
schichten nicht aus flachen Vollringen, sondern nur aus einzelnen Segmenten ausreichend
groß unter Beibehaltung seiner Transportfähigkeit in zerlegtem Zustand gemacht werden.
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Bei elektrischen Maschinen großer Leistung, z. B.
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Wasserkraftgeneratoren, kann der Außendurchmesser des Rotorkranzes
über 10 m und das Gewicht des Kranzes Hunderte
Tonnen betragen.
Die Querschnittsfläche eines solchen Kranzes wird durch die Gewährleistung seiner
mechanischen Festigkeit bestimmt, die ihrerseits durch das dynamische Trägheitsmoment
des Rotors vorgegeben wird und den Wert bedeutend überschreitet, der nach den Bedingungen
der magnetischen Auslastung des Rotorkranzes erforderlich ist. Deswegen ist die
Verminderung der Querschnittsfläche des Kranzes und damit die Herabsetzung des Metallaufwands
für seine Fertigung ein sehr wesentliches Problem im Elektromaschinenbau. Die Herabsetzung
des Metallaufwands für den Kranz kann durch eine verbesserte Qualität der dünnen
Dynamoblecha und eine Erhöhung ihrer Festigkeitswerte erreicht werden. Eine weitere
Verminderung der Querschnittsfläche des Kranzes wird jedoch durch konstruktive Gegebenheiten
begrenzt.
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Im Rotor mit einem aus Segmenten ausgeführten Kranz, ebenso wie in
einem Rotor, dessen Kranz aus flachen Vollringen besteht, wird ein bedeutender Teil
des Querschnitts des Kranzes durch die Öffnungen für die Zugbolzen in Anspruch genommen.
So werden z. B. im Rotorkranz mit einem Außendurchmesser von 10 m und mehr und einer
Breite von 550 bis 600 mm etwa 20 bis 25 % der Querschnittsfläche des Kranzes für
die Zugbolzenöffnungen beansprucht. Diese öffnungen schwächen den Kranz, weil sie
seinen Querschnitt vermindern. Außerdem ergeben die Zugbolzen selbst eine zusätzliche
mechanische Beanspruchung des Kranzes, da sie die bei der Drehung des Rotors auf
ihn einwirkenden Zugkräfte vergrößern. Demzufolge muß zur Gewährleistung der erforderlichen
mechanischen Festigkeit des Kranzes wegen der Zugbolzen sein Breitenausmaß vergrößert
werden, was zu einer Erhöhung des Metallaufwands an teuerem
hochwertigem
Stahl für den Kranz und damit für den Rotor im Ganzen führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische
Maschine zu schaffen, bei dem der Kranz eine erhöhte Festigkeit bei vorgegebenen
Ausmalen oder einen geringeren Metallaufwand bei vorgegebener Festigkeit hat.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
gelöst.
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Im erfindungsgemäßen Rotor werden Zugbolzen im Kranz dadurch ausgeschlossen,
daß ihre Funktion von den in den Segmenten ausgeführten Vertiefungen und Vorsprüngen,die
die Kranzschichten gegeneinander in radialer und tangentialer Richtung fixieren,
sowie von den Schweißverbindungen in den Längsnuten an den zylindrischen Oberflächen
des Kranzes, die eine Fixierung der Kranzschichten in axialer Richtung gewährleisten,
übernommen wird. Das Vorhandensein von "durchgehenden" Segmenten, d. h. ohne Öffnungen
für die Zugbolzen, ergibt einen größeren rechnerischen Querschnitt und damit eine
höhere Festigkeit des Kranzes im Vergleich mit dem durch Zugbolzen zusammengepreßten
Kranz gleicher Größe. Mit anderen Worten hat ein Kranz der erfindungsgemäßen Konstruktion
bei gleicher Festigkeit geringere Ausmaße und erfordert damit einen geringeren Metallaufwand
als ein herkömmlicher Kranz mit Zugankern.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Rotor einer elektrischen
Maschine im Querschnitt; Fig. 2 ein Segment des Kranzes des in der Fig. 1 gezeigten
Rotors in vergrößertem Maßstab; Fig. 3a, den Schnitt III-III nach Fig. 2 in ver-3b
größertem Maßstab; und Fig. 4a, die schematische gegenseitige Lage der 4b Segmente
verschiedener Schichten im Kranz des in der Fig. 1 gezeigten Rotors.
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Der Rotor nach Fig. 1, z. B. für einen vertikalen Wasserkraftgenerator,
enthält einen Rotorstern-1, der auf einer Welle 2 befestigt ist, und einen am Stern
1 angebrachten ringförmigen zylindrischen Kranz 3. Der Kranz 3 besteht aus zu einem
Ring zusammengebauten Segmenten 4 aus dünnen Dynamoblechen, die schichtweise bis
zur Höhe des Kranzes 3 mit nachfolgendem- Ztie-ammenpressen verlegt sind. Die Befestigung
des Kranzes 3 am Stern 1 erfolgt mit Hilfe von Keilen 5, die in an der zylindrischen
Innenfläche des Kranzes 3 ausgeführten Längsnuten 6 und in am Stern vorhandenen
Gegenlängsnuten eingreifen. An der zylindrischen Außenoberfläche des Kranzes 3 ist
das Erregersystem des Rotors angeordnet, im vorliegenden Fall sind das Pole 7, die
am Kranz 3 in den Längsnuten 8 vom Schwalbenschwanztyp befestigt werden.
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Bei einem Volltrommelrotor werden statt der Pole 7 am Umfang des Kranzes
3 in den Nuten 8 die Spulen der Erregerwicklung des Rotors befestigt.
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Zur Fixierung der aus den Segmenten 4 bestehenden Schichten des Kranzes
3 und zur Gewährleistung einer geschlossenen Einheitlichkeit des letzteren nach
dem Zusammenpressen sind an der zylindrischen Außenoberfläche und der zylindrischen
Innenfläche des Kranzes 3 Längsnuten 9 ausgeführt, in die Leisten 10 eingelegt werden,
die man mit den Segmenten 4 über die ganze Höhe des Kranzes 3 mittels Schweißverbindungen
11 (Fig. 2) zusammenheftet. Die Befestigung der Kranzschichten untereinander kann
auch nur mit Hilfe von in den Nuten 9 ausgeführten Schweißverbindungen 11 (Fig.
2) erreicht werden.
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Gemäß der Erfindung haben die Segmente 4 des Kranzes 3 (Fig. 1) z.
B. durch Stanzen eingepreßte konische Vertiefungen 12 (Fig. 3a), die an der anderen
Seite des Segments 4 Vorsprünge 13 bilden. Die Vertiefungen 12 können dabei an einer
Seite oder an beiden Seiten der Segmente 4 ausgeführt werden, so daß die Vorsprünge
13 entweder nach einer Seite gemäß Fig. 3a oder nach beiden Seiten gemäß Fig. 3b
gerichtet sein können. Außerdem können die Vorsprünge 13 und Vertiefungen 12 an
der Oberfläche der Segmente 4 sich in beliebiger Reihenfolge abwechseln.
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Es ist zweckmäßig, daß der Durchmesser der Grundfläche der konischen
Vertiefungen 12 um das 6- bis 8-fache größer als die Stärke des Segments 4 gewählt
wird, da man in diesem Fall beim Stanzen gewährleisten kann, daß die Stärke der
Seitenwandungen in den konischen Vertiefungen 12 praktisch der Stärke des Segments
4 gleich ist.
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Die Vertiefungen 12 und Vorsprünge 13 können auch
durch
Präzisionswalzen der Bleche für die Segmente erhalten werden. In diesem Fall können
lokale Restspannungen im Werkstoff garantiert vermieden werden.
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Die Anordnung der Vertiefungen 12 und der Vorsprünge 13 über die
Oberfläche jedes Segments 4 muß so sein, daß bei der Montage des Kranzes 3 (Fig.
1) mit einer Verschichtung, d. h. mit einer Versetzung der Stöße zwischen den Segmenten
4 in den benachbarten Schichten, die Vorsprünge 13 (Fig. 3a, b) jeder Schicht in
die Vertiefungen 12 der vorangehenden Schicht eingreifen, wie das in den Fig. 4a
und 4b schematisch gezeigt ist.
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Die Anzahl der in die Segmente 4 eingestanzten Vertiefungen 12 wird
rechnerisch auf der Grundlage der auf die Vorsprünge 13 einwirkenden Scherkräfte
bestimmt und beträgt näherungsweise 8 Stück je Flächenabschnitt des Segments 4,
der sich unter einem Pol 7 (Fig. 1) befindet.
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Bei der Drehung des Rotors einer elektrischen Maschine wirken auf
seinen Kranz 3 Fliehkräfte ein, die Zug-und Schwingungsspannungen erzeugen, welche
bestrebt sind, die Segmente 4 in radialer und tangentialer Richtung zu verschieben.
Diese Spannungen werden durch die Vorsprünge 13 (Fig. 3a, b) aufgenommen, die in
die Vertiefungen 12 der anliegenden Schichten eingreifen, die gegenseitige Lage
der Schichten des Kranzes fixieren und dadurch die radialen und tangentialen Verschiebungen
der Segmente 4 verhindern.
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Auf diese Weise hat der Kranz im Rotor der erfindungsgemäßen Konstruktion
bei vorgegebenen Ausmaßen eine erhöhte
Festigkeit im Vergleich
zu den bekannten Konstruktionen oder bedeutend geringere Ausmaße bei vorgegebener
Festigkeit. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Rotors gewährleistet das Einsparen
von hochwertigem Stahl, die in Abhängigkeit vom Typ der Maschine von 10 % bis 15
% des Gewichts des Rotorkranzes, d. h. von 50 bis 80 Tonnen, beträgt.
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