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Stromzuführung zur Rotor-
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wicklung durch eine Hohlwelle Die Erfindung bezieht sich auf einen
Rotor einer elektrischen Maschine, im wesentlichen bestehend aus einer Welle mit
einer axialen und im wesentlichen radial verlaufenden Wellenbohrungen, einem Rotorblechpaket,
einer Wicklung und wenigstens zwei Schleifringen und diesen zugeordneten gegenüber
der Welle isolierten Leitern zur elektrischen Verbindung der Schleifringe mit den
Leiterenden der elektrischen Wicklung, wobei die Leiter einen, in axialer Richtung
der Wellenbohrung verlaufenden Abschnitt und einen Abstützkörper zwischen den axialen
Abschnitten der Leiter und einen durch die radialen Wellenbohrungen hindurchtretenden,
in radialer Richtung verlaufenden kürzeren Abschnitt, aufweisen.
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Ein Rotor dieser Gattung ist z.B. aus der Druckschrift "Vollpolläufer,
Baugruppen-Nr. 1000" der Firma Siemens, undatiert, bekann-t.
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Hierbei sind flexible, isolierte Leiter durch die hohlgebohrte Welle
und durch Kabelschuhe mit dem Spulenanfang und Ende der Polwicklungen einerseits
und den Stromführungsbolzen
der Schleifringe andererseits verbunden.
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Bei elektrischen rotierenden Maschinen bis zu einem Leistungsbereich
-von einigen MW werden die Schleifringe immer häufiger ausserhalb des Lagers angeordnet,
und zwar aus folgenden Gründen: - um durch modulare Bauweise einen Einheitsstator
oder Gehäuse, sowohl für einen Kurzschlussläufer als auch für einen Schleifringrotor
verwendbar zu machen; - damit zu einer stärkeren Leistungsbeaufschlagung der elektrischen
Maschine der Raum zwischen dem Lager und der Wicklung für eine Rotorkühlung nutzbar
gemacht werden kann; - um einerseits die biegekritische Drehzahl durch eine Wellendurchmesservergrösserung
möglichst hoch halten und andererseits die Lagerdistanz möglichst kurz gestalten
zu können.
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Bei Schleifringanordnungen ausserhalb des Lagers ist man vQm Wellendurchmesser
unabhängig und kann somit einen direkten.Einfluss auf die Wahl des Durchmessers
der Schleifringe, im Sinne einer Redimen-sionierung, d.h. deren Umfangsgeschwindigkeit
nehmen. Daraus resultiert zwar einerseits eine Materialeinsparung an Schleifringmaterial
und ein verminderter Kohlebürstenabrieb, andererseits ergeben sich mit aussen liegenden
Schleifringen jedoch relativ lange elektrische Leiter zwischen den Schleifringen
und der Rotorwicklung. Diese Leiter stehen im Betrieb unter hohen und variierenden
mechanischen und thermischen Beanspruchungen und es sind zur Gewährleistung eines
sicheren und störungsfreien Betiebsverhaltens konstruktive Massnahmen zu treffen,
damit sie in jedem Betriebsbereich lagezentriert und mechanisch und thermisch stabil
gehalten sind.
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Die flexiblen, isolierten Schleifringleiter gemäss der Druckschrift
"Vollpolläufer, Baugruppen-Nr. 1000" der Firma Siemens sind durch eine mechanische
Verspannung in der Hohlwelle der Maschine rotationssymmetrisch und lagezentriert
befestigt. Bei flexiblen Kabelanordnungen ist man jedoch hinsichtlich der Strombelastbarkeit
auf bestimmte Leistungsgrössen der elektrischen Maschine limitiert. Dar;-über hinaus
sind zur Vermeidung von Litzen- und Isolationsbrüchen bei der Umlenkung von der
axialen in die radiale Richtung nur kleine Biegewinkel erlaubt, was die Herstellung
von relativ aufwendigen schrägen Wellenbohrungen erforderlich macht. Um der Gefahr
von Verlagerungen zu begegnen, müssen flexible Kabel über ihre gesamte Länge mechanisch
verspannt werden, dabei ist jedoch noch nicht ausgeschlossen, dass es infolge lokaler
Litzenvibration unterhalb der Isolationsschicht durch Stromeinflüsse sowie unter
thermischem Einfluss zu Litzenbrüchen und damit zu grossen Schäden an der Stromübertragung
kommen kann In der Druckschrift "Rotorwicklung" HTGG K04 100 der BBC Aktiengesellschaft
Brown, Boveri & Cie., Baden/Schweiz, undatiert, ist eine Erregerstromzuführung
zur Rotorwicklung beschrieben, bei der durch radiale Wellenbohrungen geführte Bolzen
mit in axialer Richtung der Wellenbohrung sich erstreckenden halbrunden Schienen
verbunden sind.
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Die Fliehkräfte der Bolzen werden grösstenteils durch Muttern aufgenommen,
die in den Bolzenbohrungen sitzen, und die die Kräfte direkt auf die Welle übertragen,
ohne die Zuleitungsschienen in der zentralen Axialbohrung wesentlich zu beanspruchen.
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Diese Ausführungsart, der Schraubverbindung zweier Radialmit einem
Axialleiter, erfordert jedoch einen hohen Arbeitsaufwand für die Herstellung der
isolierten Leiter und bei deren Montage, da sehr enge Masstoleranzen erforderlich
sind, um eine einwandfreie Isolierung in den kritischen Bereichen des radialen -
axialen Uebergangs sicherzustellen
und die Güte der Schraubverbindungen
zu gewährleisten.
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Darüber hinaus müssen die Radialbolzen und die Axialleiterunter Berücksichtigung
der verminderten Strombelastbarkeit in den Gewindepartien überdimensioniert werden.
Eine Demontage der Leiter ist wegen thermischer und mechanischer Verspannungen der
Gewinde nur unter erschwerten Bedingungen möglich und erfordert einen grossen Zeitaufwand.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe. zugrunde, eine elektrische Verbindung zwischen den Schleifringen
und der Wicklung des Rotors einer elektrischen Maschine zu schaffen, welche einfach
im Aufbau und wirtschaftlich herstellbar ist, welche ein sicheres und störungsfreies
Betriebsverhalten unter hohen und variierenden mechanischen und thermischen Beanspruchungen
gewährleistet und welche mit geringem Arbeitsaufwand montiert bzw. demontiert werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die
Leiter als einstückige Massiv leiter ausgebildet sind, und im wesentlichen L-förmige
Gestalt aufweisen, dass die Gesamtlänge des radial. verlaufenden Abschnittes kleiner
als der Durchmesser der axialen Wellenbohrung, jedoch grösser als die Summe der
radialen Hohe des in axialer Richtung der Wellenbohrung verlaufenden Abschnittes
und der Wandstärke der Welle ist, und dass der in axialer Richtung verlaufende Abschnitt
der Leiter zwischen einem mittig zur axialen Wellenbohrung angeordneten Abstützkörper
und der Wandung der axialen Wellenbohrung eingeklemmt ist.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen die
folgenden: - da enge Fügetoleranzen bei der Leiterverbindung innerhalb der Hohlwelle
entfallen und für die Leiterherstellung genormte Profile und Abmessungen verwendet
werden
können, und ausser der Biegeoperation und Isolierung des
Leiters praktisch keine weiteren Bearbeitungen notwendig sind, können einerseits
auf teure und zeitlich aufwendige Bearbeitungsoperationen verzichtet werden und
andererseits gestalten sich die Manipulationen bei der Montage einfacher; - da die
Verbindungsstellen der radialen Leiterabschnitte mit der Rotorwicklung ausserhalb
der Wellenperipherie hergestellt werden und vor allem die eng tolerierten Fügungen
der Leiterisolation, besonders im kritischen Uebergangsbereich von den axialen zu
den radialen Leiterstücken, entfallen, werden aufwendige Arbeitsoperationen während
der Montage beseitigt und die Arbeiten können einer besseren Kontrolle unterzogen
werden; - der Massivleiter erbringt für dense.lben Aussendurchmesser eine höhere
Strombelastbarkeit, oder bei gleicher Strombelastbarkeit, verglichen mit einem flexiblen
Verbindungskabel, kann der Durchmesser der Wellenbohrung unter Umständen verkleinert
und somit die mechanische Festigkeit der Welle gesteigert werden; - der Erfindungsgegenstand
ermöglicht die Anordnung der Schleifringe ausserhalb des Lagers, wodurch eine einfache
Demontage bzw. ein einfaches Auswechseln der Schleifringe möglich ist.
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Gemäss Anspruch 2 sind die in axialer Richtung der Wellenbohrung verlaufenden
Abschnitte der Leiter mittels einer U-profilförmigen Schiene aus Isoliermaterial
von der Wandung der axialen Wellenbohrung isoliert.
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Der Vorteil hierbei ist insbesondere darin zu sehen, dass mit einfachen
Mitteln eine sichere Isolation der Leiter gegenüber der Welle vorgenommen werden
kann.
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Nach Anspruch 3 sind die Hohlräume der axialen und radialen Wellenbohrungen
mit einer Isoliermasse, beispielsweise
Epoxidharz ausgefüllt. Auf
diese Weise werden die Leiter in jedem Betriebsbereich der elektrischen Maschine
lagezentriert gehalten. Die zusätzliche Fixierung der Leiter durch das Einbetten
in Isoliermasse erbringt eine hohe mechanische Stabilität auch unter variierenden
thermischen Beanspruchungen.
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Entsprechend Anspruch 4 sind zumindest an den Enden der in axialer
Richtung der Wellenbohrung verlaufenden Abschnitte der elektrisch isolierten Leiter,
und zwar sowohl im eintrittsseitigen Abschnitt der axialen Wellenbohrung als auch
am, dem Eintritt in die axiale Wellenbohrung gegenüberliegenden Ende des axial verlaufenden
Leiterteils, Formstücke zur Lagefixierung der Leiter vorgesehen, welche seitlich
an die Enden des mittig angeordneten Abstützkörpers angrenzen.
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Der Vorteil der Erfindung gemäss Anspruch 4 ist insbesondere darin
zu sehen, dass eine sichere Lagezentrierung der Leiter unter stark schwankenden
Fliehkrafteinflüssen und unter variierenden thermischen Belastungen mit einfachen
Mitteln erreicht werden kann.
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Nach Anspruch 5 ist der Abstützkörper mit dem der Wicklung zugewandten
Formstück verbunden. Hierdurch wird das Einführen des Formstückes erleichert.
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Gemäss Anspruch 6 ist der Abstützkörper rohrförmig ausgebildet, und
sowohl der Abstützkörper, als auch die Formstücke bestehen aus einem elastischen
Isoliermaterial, beispielsweise aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff oder Hartpapier.
Dadurch, dass einmal für eine sichere Leiterabstützung genormte rohrförmige Profile,
zum andern handelsübliche Kunststoffe mit guter elektrischer Isolationsfähigkeit
und ausreichenden Festigkeitseigenschaften unter variierenden Temperatureinflüssen,
verwendet werden können, ist eine wirtschaftliche Rotorherstellung gewährleistet.
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Nach Anspruch 7 sind die radialen Abschnitte der Leiter mittels Verbindungslaschen
durch Pressen, Schrauben oder Löten mit den Leiterenden der Rotorwicklung fest verbunden,
und die axialen Abschnitte der Leiter sind ebenfalls mittels Verbindungslaschen
durch Schraubverbindung mit den Schleifringen lösbar verbunden.
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Mit dieser Verbindungsanordnung können, ohne Demontage der Leiter,
Schleifringnaben mitsamt Schleifringen und ebenfalls das nichtantriebsseitige Lager
auf einfache Weise ausgewechselt werden.
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Nach Anspruch 7 sind die Leiter aus einer mechanisch festen und elektrisch
gut leitenden Legierung hergestellt. Hierdurch werden gute elektrische Leiteigenschaften
gepaart mit einer hohen mechanischen Festigkeit erzielt.
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Das erfindungsgemässe Verfahren gemäss Anspruch 8 ist gekennzeichnet
durch folgende Fertigungsschritte: a). ausgehend von einem massiven Wellenkörper
mit einstükkig ausgebildeten Wellenstummeln oder eingesetzten Wellenstummeln werden
in dem nichtantriebaseitigen Wellenstummel eine axiale Wellenbohrung und in dessen
axialer Ebene rotationssymmetrisch radiale Bohrungen angebracht; b) die vorgefertigten
L-förmig gebogenen, kompakten Leiter werden an ihren, der Wandung der axialen Wellenbohrung
zugewandten Flächen mit einer U-profilförmigen Schiene aus Isoliermaterial versehen
c) die teilweise isolierten Leiter werden in die axiale und in die radialen Wellenbohrungen
eingeführt, und die in axialer Richtung verlaufenden Abschnitte der Leiter werden
zwischen einem mittig zur axialen Wellenbohrung angeordneten rohrförmigen Abstützkörper
und der Wandung der axialen Wellenbohrung eingeklemmt und
in axialer
und radialer Richtung rotationssymmetrisch lagezentriert; d) die Hohlräume der axialen
und der radialen Wellenbohrungen werden mit einer Isoliermasse, beispielsweise Epoxidharz,
ausgefüllt; e) die radialen Abschnitte der Leiter werden mittels Verbindungslaschen
durch Pressen, Verschrauben oder Löten mit den Leiterenden der Rotorwicklung fest
verbunden, und die axialen Abschnitte der Leiter werden ebenfall-s mittels Verbindungslaschen
durch Schraubverbindung mit den Schleifringen lösbar verbunden.
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Mit dem Verfahren gemäss Anspruch 8 können Schleifringleiter in der
Hohlwelle von Rotoren lagezentriert werden, welche für hohe mechanische und thermische
Beanspruchungen geeignet sind.
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Das erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch 9 ist gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte: a) ausgehend von einem massiven Wellenkörper
mit einstückig ausgebildeten Wellenstummeln oder eingesetzten Wellenstummeln werden
in dem nichtantriebsseitigen Wellenstummel eine axiale Wellenbohrung und in dessen
axialer Ebene rotationssymmetrisch radiale Bohrungen angebracht; b) die vorgefertigten,
L-förmig gebogenen kompakten Leiter werden vollständig mit Isolationsmaterial umgeben;
c) die vollständig isolierten Leiter werden in die axialen und in die radialen Wellenbohrungen
eingeführt, in dem nach Laien gelegenen Teil der axialen Abschnitte der Leiter wird
ein erstes Formstück aufgesetzt und am, dem Eintritt in die axiale Wellenbohrung
gegenüberliegenden Ende des axial verlaufenden Leiterteils positioniert;
die
in axialer Richtung verlaufenden Abschnitte werden zwischen einem mittig zur axialen
Wellenbohrung angeordneten rohrförmigen Abstützkörper eingeklemmt und im eintrittsseitigen
Abschnitt der axialen Wellenbohrung wird ein zweites Formstück positioniert, wobei
beide Formstücke seitlich an die Enden des Abstützkörpers angrenzen, und die Leiter
rotationssymmetrisch lagezentriert werden; d) die radialen Abschnitte der Leiter
werden mittels Verbindungslaschen durch Pressen, Verschrauben oder Löten mit den
Leiterenden der Rotorwicklung fest verbunden, und die axialen Abschnitte der Leiter
werden ebenfalls mittels Verbindungslaschen durch Schraubverbindung mit den Schleifringen
lösbar verbunden.
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Mit dem Verfahren nach Anspruch 9 können Schleifringleiter in der
Hohlwelle von Rotoren mit einfachen Mitteln lagezentriert werden. Diese Art der
Lagezentrierung der Leiter gewährleistet eine dauerhafte, mechanische Stabilität
unter hohen und variierenden thermischen Einflüssen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert: In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Hohlwellenzapfen mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen
Anordnung der Schleifringleiter; Fig. 2 einen Radialschnitt durch den Hohlwellenzapfen
gemäss Fig. 1; Fig. 3 ebenfalls einen Radia-lschnitt durch den Hohlwellenzapfen
in einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform.
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In Fig. 1 ist in einem Längsschnitt durch einen Hohlwelle lenzapfen
und in Fig. 2 in einem Radialschnitt durch den Hohlwellenzapfen die Lageanordnung
der Leiter 4 in einer ersten Ausführungsform dargestellt, wobei aus Gründen einer
besseren Uebersicht der Schnitt in Fig. 2 gegenüber dem Massstab in Fig. 1 vergrössert
dargestellt wurde. In einem Wellenzapfen 1', welcher mit einem Wellenkörper 1 einstückig
verbunden ist, sind eine axiale Wellenbohrung 3 und mehrere radiale Wellenbohrungen
3' angebracht. Von den radialen Wellenbohrungen 3' ist in Fig. 1 nur eine ersichtlich.
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Der Wellenzapfen 1' ist in einem Lager 2 gelagert. Ausserhalb des
Lagers 2 sind drei Schleifringe 8 auf einer Nabe 7 angeordnet. Am äusseren linken
Ende der Nabe 7 befindet sich eine Balancierscheibe 18 zum Auswuchten der Nabe 7
mitsamt den Schleifringen 8. In der axialen -3 und in den radialen Wellenbohrungen
3' sind rotationssymmetrisch drei prismenförmige Leiter 4, mit sich in axialer Richtung
erstreckende Abschnitte 4' und in radialer Richtung verlaufende Abschnitte 4", angeordnet.
Die axial verlaufenden Abschnitte 4' stützen sich mit ihren nach innen gerichteten
Flächen auf einem mittig zur Wellenbohrung 3 angeordneten, rohrförmigen Abstützkörper
5 ab. Der Abstützkörper 5 besteht aus einem isolierenden Stoff, beispielsweise Hart-.
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papier, welcher über gute Festigkeitseigenschaften, auch.
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bei Temperaturen bis max. 1200 verfügt und welcher in der Lage ist,
zentripedal einwirkende Kräfte oder Kräfte, welche aus unterschiedlichen Wärmedehnungen
resultieren, elastisch aufzunehmen und zu eliminieren.
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In Fig. 2 ist die Abstützung der Leiterabschnitte 4' auf dem Abstützkörper
5 gut zu erkennen. Zwischen der, der Wandung der axialen Wellenbohrung 3 zugewandten
Fläche des Leiterabschnittes 4' und der Wandung selbst, ist eine Schiene 6 aus Isoliermaterial
eingefügt. Diese dient einmal zur Isolation der Leiter 4 gegenüber dem Wellenzapfen
1', zum anderen aber gleichzeitig auch zur Verklemmung der axialen Leiterabschnitte
4' zwischen dem Abstützkörper 5
und der Wandung der axialen Hohlwelle
3 in Längsrichtung und ist deshalb über die totale axiale Länge der Leiterabschnitt
4' geführt. Die nach dem Einbau und der Fixierung der Leiter 4 in die die axiale
-3 und radialen Bohrungen 3' noch verbleibenden Hohlräume werden vollständig mit
einer isolierenden Masse 17, z.B. Epoxidharz, ausgegossen.
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Dadurch wird das gesamte Leitersystem mechanisch und thermisch stabilisiert,
so dass es grössten Beanspruchungen gewachsen ist. Die aus der Peripherie des Wellenstummels
1' herausragenden radialen Abschnitte 4" der Leiter 4 werden mittels Verbindungslaschen
11' an den-Presss-tellen 15, 15' mit den Enden 14' der Wicklung 14 fest verbunden,
welche in Nuten des Rotorblechpaketes 16 angeordnet ist.
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Die axialen Leiterabschnitt 4' hingegen werden mittels Verbindungslaschen
11 durch Schraubverbindungen 12 mit den Anschlussbolzen 10 der Schleifringe 8 lösbar
verbunden, wobei ein isolierender Distanzring 13 die Verbindungslaschen 11 seitlich
abstützt.
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Fig. 3 zeigt einen Radialschnitt durch den Hohlwellenzapfen 1' in
einer weiteren erfindungagemässen Lageanordnung der Leiter 4, wobei ebenfalls aus
Gründen einer besseren Uebersicht der Schnitt in Fig. 3 in derselben Grösse dargestellt
ist wie in Fig. 2.
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Gleiche Teile sind in Fig. 3 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet
wie in Fig. 1 und 2.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls drei rotationssymmetrisch angeordnete Leiter
4, die zwischen dem Abstützkörper 5 und der Wandung der axialen Bohrung 3 eingeklemmt
sind. Die beiden Abschnitte 4', 4" der Leiter 4 sind vollständig mit einer Leiterisolation
20 umgeben. An den Enden der in axialer Richtung der Wellenbohrung 3 verlaufenden
Abschnitte 4' der elektrisch isolierten Leiter 4, und zwar sowohl im eintrittsseitigem
Abschnitt der axialen Wellenbohrung 3, als auch am, dem Eintritt in die axiale Wellenbohrung
3
gegenüberliegendem Ende des axial verlaufenden Leiterteils 4'
sind jeweils vorgefertigte Formstücke 19 zur Lagefixierung der Leiter 4 angeordnet.
Diese Formstücke bestehen entweder aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder gestanztem
Hartpapier und schliessen an beiden Enden des mittig angeordneten Abstützkörpers
5 an. Zweckmässigerweise ist das der Wicklung 14 zugewandte Formstück 19 mit der
Stirnfläche des Abstützkörpers 5 fest verbunden, um das Einführen und Positionieren
des Formstückes zu erleichtern.
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Bei der Ausführungsart gemäss Fig. 3 sind die isolierten Leiter 4
mit ihren axialen Abschnitten 4' zwischen dem Abstützkörper 5 und der Wandung der
axialen Wellenbohrung 3 in ihrer gesamten axialen Länge eingeklemmt, jedoch nur
an den jeweiligen Enden der Abschnitte 4' stützpunktartig lagezentriert. Diese offene
Einbauart hat den Vorteil, dass die Leiter 4, unter dem dauernden Einfluss einer
zirkulierenden Luftbewegung, die sich von selbst durch die Rotation der Maschine
einstellt, gekühit wird, setzt aber andererseits eine enge Toleranzgrenze in der
Bemessung der verwendeten Bauteile voraus.
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Selbstverständlich bleibt die Herstellung der Leiterverbindung von
den Schleifringen zur Rotorwicklung nicht auf die beiden aufgeführten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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Sie eignen sich insbesondere für rotierende elektrische Maschinen
mit einer maximalen Stromdichte in den Leitern 4 von 6,5 A/mm2. Für höhere Stromdichten
werden vorteilhafterweise flüssigkeitsgekühlte bzw. gasgeKühite Leiter verwendet,
wobei der Einbau der Leiter auch unter den gleichen erfindungsgemässen Bedingungen
vorgenommen werden kann, wie in den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 1 und 2 sowie
Fig. 3 dargestellt.
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