DE3855362T2

DE3855362T2 - Konstruktion eines Blechpaketes für Ständer und Läufer einer dynamo-elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE3855362T2
Application number: DE3855362T
Authority: DE
Inventors: Thomas William Neumann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-11-04
Filing date: 1988-03-24
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2008-03-25
Also published as: KR890009044A; KR0139003B1; JPH01129726A; US4801832A; DE3855362D1; CA1312902C; EP0314860A1; EP0314860B1; USRE34667E

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein dynamoelektrische Maschinen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige dynamoelektrische Maschinen sind aus der GB-A-2 020 914 bekannt.

BESCHREIBUNG DER BEKANNTEN TECHNIK

Es sind Anordnungen zum Verbessern des Wirkungsgrads oder der Leistungsabgabe von dynamoelektrischen Maschinen durch Vorsehen bestimmter Nutverteilungen in entweder einem Stator- oder einem Rotorkernelement der Maschine bekannt, z.B. aus dem US-Patent 4 566 179 (28. Januar 1986), oder durch Erzeugen einer vorbestimmten Magnetflußänderung durch einen Pol des Maschinenstators relativ zu den Amperewicklungen des Pols, wie beispielsweise aus dem US-Patent 4 209 720 (24. Juni 1980). Lediglich aus der früher eingereichten EP-A-280 194, die Stand der Technik im Sinne des Artikels 54(3) EPÜ darstellt, ist ein Maschinenblechplattenaufbau bekannt, durch welchen die betriebliche Leistungsfähigkeit einer dynamoelektrischen Maschine mit einem geschichteten, geblechten Stator und/oder Rotor durch ein vorgeschriebenes Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchmesser für das Blech verbessert ist. Ferner ist eine Blechkonstruktion bekannt, durch welche das Verhältnis der Flußdichte in einem Zahnabschnitt des Bleches zu der Flußdichte in einem Jochabschnitt des Bleches über das hinaus erhöht werden kann, was herkömmlicherweise erzielbar ist, und als Ergebnis wird eine größere Ausgangsleistung oder betriebliche Leistungsfähigkeit für die Maschine erreicht. Die EP-A-280 194 offenbart für eine Zweipol-Statorwicklung ein Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchmesser der ringförmigen Statorplatte größer als 0,45 und bis hin zu 0,50.
Aus einem Stapel von Blechplatten gebildete Rotoren mit geschlossenen Nuten, die gleichmäßig voneinander um den Umfang bzw. den Rand jeder Blechplatte herum im Abstand angeordnet sind, sind beispielsweise aus den US-Patenten 2 794 138 (28. Mai 1957) und Nr. 3 401 280 (10. September 1968) bekannt, die beide auf den Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
Derartige Rotoren werden gewöhnlicherweise in Wechselstrom- Induktionsmotoren verwendet, wobei leitende Elemente, die sich axial entlang des Rotors durch ausgerichtete Nuten der geschichteten Blechplatten erstrecken, mit einem rotierenden bzw. sich drehenden Magnetfeld zusammenwirken, das in einem Luftspalt zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang des Maschinenstators erzeugt wird. In Statornuten eingebettete Wicklungen zwischen radial nach innen vorspringenden Zähnen des Stators benachbart zum Luftspalt sind mit den Wechselstromleitungen verbunden, und die Statorwicklungsleiter verlaufen durch eine bestimmte Reihenfolge der Statornuten derart, daß sie einen Magnetfluß in dem Luftspalt verursachen, das synchron mit der Frequenz der Wechselstromleitungen umläuft
Üblicherweise ist jede der Rotornuten zwischen ihren oberen und unteren Teilen in der radialen Richtung eingeschnürt, um einen sogenannten Halsabschnitt der Nut zu bilden. Die Nuten derartiger Rotoren mit geschlossener Nut sind gewöhnlich in jedem der Rotorblechplatten mit einer umgekehrt V-förmigen Kante an der oberen Begrenzung des oberen Teils der Nut gebildet, wobei das Zentrum des V einen schmalen Brückenteil zwischen der oberen Begrenzung der Nut und dem Außenumfang der Blechplatte bildet. Verständlicherweise bringt ein derartiges Brückenteil bei der Maschinenbearbeitung der geschlossenen Nuten an den Rändern der Rotorblechplatten Schwierigkeiten mit sich.
Wie in der vorliegenden Fig. 7 gezeigt ist, ist es bekannt, daß das Verhältnis der Flußdichte in einem Zahnabschnitt zu der Flußdichte in dem Jochabschnitt eines Stators 1,144 oder 1,442 beträgt.
Andererseits versucht die Lösung gemäß der vorstehend genannten GB-A-2 020 914, die Flußdichte durch den gesamten Stator dadurch zu optimieren, daß überall gleiche Flußsättigungswerte vorliegen. Wenn die Flußdichte in den Zähnen vergrößert werden soll, ist es notwendig, die Schicht- bzw. Stapelhöhe zu vergrößern, um ein effizientes Produkt zu erzielen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, bei der das Verhältnis der Flußdichte in dem Zahnabschnitt zu der Flußdichte in dem Jochabschnitt und das Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchmesser der Statorblechplatten optimiert sind, um einen hohen Wirkungsgrad mit einer kleinen Menge an Wicklungsmaterial zu erzielen.
Gemäß der Erfindung, wie sie beansprucht ist, weist eine dynamoelektrische Maschine ein allgemein zylindrisches Gehäuse und einen Statorkern auf, der in dem Gehäuse fixiert ist und der aus Statorblechplatten besteht. Eine Statorwicklung ist in Nuten eingebettet, die von der Bohrung des Statorkerns ausgehenw und ein Rotor ist in der Bohrung getragen, wobei der Rotor Rotorblechplatten mit einer Stromleitereinrichtung zum Wechselwirken mit einem Magnetfeld aufweist, das in einem Luftspalt zwischen dem Außenrand des Rotors und dem Innenrand des Rotorkerns erzeugt wird.
Jede der Statorblechplatten weist eine ebene ringförmige Platte aus ferromagnetischem Material mit einem vorausgewählten Außendurchmesser und einer allgemein kreisförmigen Innenöffnung eines vorbestimmten Innendurchmessers auf. Die Statorblechplatte weist eine Anzahl von gleichmäßig über den Umfang beabstandeten Nuten auf, die sich von der Bohrung radial nach außen zu einem Zwischenumfang der Platte erstrecken, um zwischen den Nuten Zähne zu bilden. Ein Zahnabschnitt ist durch einen Zahn zwischen dem Zwischenumfang und der Bohrung festgelegt, und ein Jochabschnitt ist zwischen dem Zwischenumfang und dem Außenrand der Statorblechplatte gebildet.
Jede der Rotorblechplatten weist eine ebene kreisförmige Platte aus ferromagnetischem Material mit einer Anzahl von gleichmäßig über den Umfang beabstandeten geschlossenen Nuten auf, die in der Nähe des Außenrands der Platte radial verlaufen. Jede Nut ist durch eine halbkreisförmige oder krummlinige (kurvenlineare) Kante an einem oberen Nutbereich benachbart zu dem Außenrand der Platte und symmetrisch um die radiale Mittellinie gebildet. Endpunkte der krummlinigen Kante fallen mit Enden von beabstandeten im wesentlichen parallelen Seiten der Nut zusammen, welche Seiten sich mit gleichen Abständen auf das Zentrum der Platte zu erstrecken, um mit der krummlinigen Kante einen oberen Teil der Nut festzulegen. Der obere Teil mündet in einen größeren unteren Teil der Nut, der im wesentlichen dreieckförmig ist und symmetrisch um die radiale Mittenlinie herum verläuft.
Für ein gegebenes Verhältnis des vorausgewählten Innendurchmessers zu dem vorausgewählten Außendurchmesser für die ringförmige Statorblechplatte sind die Statorzähne ausreichend weit bzw. breit relativ zu der Fläche bzw. dem Bereich der Statornutöffnungen, und die Flußdichte in dem Zahnabschnitt ist etwa 1,10 Mal größer als die Flußdichte in dem Jochabschnitt.
Die verschiedenen neuartigen Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind im einzelnen in den beiliegenden Patentansprüchen ausgeführt, die einen Teil der vorliegenden Offenbarung bilden. Für eine besseres Verständnis der Erfindung, ihre betriebsmäßigen Vorteile und speziellen Aufgaben, die durch ihre Verwendung erzielt werden, wird auf die beiliegende Zeichnung und den beschreibenden Gehalt bezug genommen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und erläutert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer dynamoelektrischen Maschine, in der die vorliegende Erfindung verkörpert sein kann,
Fig. 2 eine Vorderansicht der Maschine von Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht einer Blechplatte zum Bilden eines Statorkerns in der Maschine von Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Statorblechs in Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht einer weiteren Blechplatte zur Bildung eines Rotors in der Maschine von Fig. 1 und 2,
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Rotorblechs in Fig. 5, und
Fig. 7 eine Tabelle mit Vergleichsdaten für physikalische Beziehungen und Verhältnisse, die den Blechen von Fig. 3 und 5 zugeordnet sind, mit den NEMA-Starndard-180- und 210-Rahmengrößen (frame sizes) und einen 2-Pol-Betrieb in bezug auf diejenigen bekannter Blechplatten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer dynamoelektrischen Maschine 10, in welcher die vorliegende Erfindung verkörpert sein kann. Eine Vorderansicht der Maschine 10 ist in Fig. 2 gezeigt.
Grundsätzlich weist die Maschine 10 ein allgemein zylindrisches Außengehäuse 12 und einen allgemein zylindrischen Stator 14 auf, der koaxial innerhalb des Gehäuses 12 fixiert ist und eine koaxiale Bohrung 16 aufweist. Ein Rotor 18 ist durch geeignete Lager 20a, 20b an der Vorder- und Rückseite des Gehäuses 12 getragen bzw. gelagert, um sich axial innerhalb der Bohrung 16 zu erstrecken, und zur Drehbewegung um die Bohrungsachse herum. In dem gezeigten speziellen Beispiel erstreckt sich ein Wellenteil 22 des Rotors 18 axial ausgehend von einem vorderen Lagerschild 24 der Maschine 10 und weist einen Keil 26 auf, der von einer Ausnehmung radial nach außen vorsteht, die mit einem bestimmten Abstand ausgehend von der Vorderseite des Wellenteils 22 axial eingeschnitten ist. Der Keil 26 dient zur Verriegelung des Wellenteils 22 in einer entsprechenden Keilnut, die in ein (nicht gezeigtes) Lastteil geschnitten ist, z.B. einen Ventilator, dem motorische Drehantriebskraft durch die Maschine 10 zugeführt werden soll.
Ein rückwärtiges Lagerschild 28 (Fig. 1) zusammen mit dem Gehäuse 12 und dem vorderen Lagerschild 24 dienen zum Aufnehmen und Schützen des Stators 14, des Rotors 18 und der zugeordneten Leitungswicklungen. In dem gezeigten Beispiel ist ein Maschinenkühlventilator 30 auf einem Rotorstummelteil 32 angebracht, der sich außerhalb des rückseitigen Lagerschilds 28 erstreckt, und richtet einen Luftstrom über das Gehäuse.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Stator 14 einen Stapel von Blechplatten 34 aus ferromagnetischem Material auf. Die Blechplatten 34 sind zur Bildung eines Kerns in gegenüberliegender Beziehung bzw. Stirnfläche-zu-Stirnfläche durch eines von verschiedenen bekannten Mitteln aufeinandergestapelt. Eine Anzahl von Nuten erstrecken sich entlang der axialen Länge des Stators 14 und verlaufen radial zu der Bohrung 16. Diese Nuten nehmen Statorwicklungen auf, die Wickleköpfe 36 aufweisen, von denen Teile in Fig. 1 gezeigt sind. Einzelheiten einzelner Blechplatten, welche die Erfindung in einer bevorzugten Form verkörpern, sind nachfolgend angeführt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, geht der Wellenteil 22 des Rotors 18 axial von dem Maschinengehäuse 12 aus und weist einen Stapel von Rotorblechplatten 40 auf, die koaxial auf dem Wellenteil 22 zwischen den vorderen und hinteren Lagern 20a, 20b fixiert bzw. befestigü sind. Sätze aus leitenden Stäben 42 erstrecken sich durch eine Anzahl (S&sub2;) von axial verlaufenden Nuten, die in dem Rotor 18 in der Nähe des Außenrands von jedem der Blechplatten 40 gebildet sind. Die Stäbe 42 sind an den axialen Enden 44a, 44b des Rotorblechplattenstapels durch einen Satz von Endringen 46a, 46b miteinander kurzgeschlossen.
In Fig. 1 bilden die Statorwicklungs-Wickelköpfe 36 an axialen Endseiten bzw. -flächen 48a, 48b des Stators 14 eine Quelle für Statorflußverluste bzw. -leckagen, d.h. einen Magnetfluß, der durch die Statorwicklung erzeugt wird und der von den Leiterstäben 42 in den Rotorblechplatten 40 nicht geschnitten wird. Soweit eine Statorflußleckage nicht zu dem resultierenden Drehmoment beiträgt, das auf den Rotor 18 ausgeübt wird, wenn die Statorwicklung oder die Statorwicklungen erregt werden, beeinträchtigt diese Flußleckage die betriebliche Leistungsfähigkeit der Maschine 10. Es versteht sich deshalb, daß jedes Mittel, durch welches potentielle Quellen einer statorflußleckage verringert oder beseitigt werden können, von großer Bedeutung für den Aufbau der dynamoelektrischen Maschine ist.
Bestimmte Standards des Maschinenaufbaus sind in der Industrie gängig, insbesondere solche, die durch die ANSI/NEMA-Standard- Veröffentlichung Nr. MGI-1987(R1981) festgelegt sind.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Aufbau einer dynamoelektrischen Maschine zu schaffen, der mit Industrie- Standards konform geht, insbesondere im Hinblick auf die sogenannten 180- und 210-Rahmengrößenkonstruktionen. Es versteht sich jedoch, daß, obwohl die vorliegend offenbarten Abmessungen für Maschinenblechplatten auf die 180- und 210-Rahmengrößen anwendbar sind, die Erfindung vorteilhaft in Maschinen verschiedener Größen und Proportionen verkörpert sein kann.
Gemäß Fig. 3 weist eine Statorblechplatte 34 für eine 180- oder 210-Rahmengröße gemäß der Erfindung eine flache ringförmige Platte aus ferromagnetischem Material mit einem Außendurchmesser "OD" in Übereinstimmung mit dem Tabellenwert von Fig. 7 und eine allgemein kreisförmige Bohrungsöffnung 50 mit einem bestimmten Innendurchmesser "ID" auf. Die Platte 34 weist eine Anzahl S&sub1; = 24) von gleichmäßig auf dem Umfang im Abstand angeordnete Nutöffnungen 52 auf, die sich von einem Zwischenumfang 54 radial erstrecken, um die Anzahl S&sub1; von Zähnen 56 zu bilden, die sich radial zu der Bohrungsöffnung 50 erstrecken. In der Ausführungsform von Fig. 3 ist die Blechplatte 34 eine Statorblechplatte derart, daß die Bohrungsöffnung 50 eine Begrenzung für einen Stator-Rotor- Luftspalt und eine Bohrung zur Aufnahme des Rotors festlegt. Die Breite jedes Statorzahns 56 ist mit T&sub1; bezeichnet.
Die Nutöffnungen 52 sind so gebildet, daß sie eine Statorwicklung oder mehrere Statorwicklungen enthalten können, die sich axial durch den Stator 14 erstrecken, wenn gleiche Platten 34 Stirnfläche-zu-Stirnfläche aufeinandergestapelt sind, wobei entsprechende Nutöffnungen 52 im wesentlichen ausgerichtet sind bzw. fluchten, um miteinander in Verbindung zu stehen. Bei der zusammengebauten Maschine 10 gemäß den Fig. 1 und 2 sind die Statorwicklungen so angeordnet, daß sie einer n-poligen (z.B. n = 2 oder 4 oder 6 usw.) Betriebskonfiguration für die Maschine entsprechen. Wenn die Statorwicklungen an eine externe elektrische Quelle angeschlossen sind, wird ein Magnetfluß in unmittelbarer Nähe zu den im wesentlichen fluchtenden Luftspalträndern der gestapelten Blechplatten 34 erzeugt, um mit den Leiterstäben 42 des Rotors 18 zusammenzuwirken.
Die ringförmige Platte 34 in Fig. 3 weist einen Zahnabschnitt 58 auf, der durch die Zähne 56 zwischen dem Zwischenumfang 54 und dem Luftspaltrand festgelegt ist. Der Rest der Platte 34 ist zwischen dem Zwischenumfang 54 und dem Außenrand 59 durchgehend gebildet, um einen Jochabschnitt 60 der Platte 34 zu bilden.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Blechplatten 34 in Fig. 3. Insbesondere ist eine einzige Nutöf fnung 52 durch benachbarte Zähne 36 umgeben gezeigt. Lippenteile 61 stehen über den Umfang aufeinander zu ausgehend von den benachbarten Zähnen 56 vor, um einen Mund 62 einer Weite bzw. Breite W&sub1;&sub0; der Nutöffnung 52 zu bilden. Wie bekannt, sollte der Mund 62 ausreichend breit bzw. weit sein, damit einzelne Leiter 64, die die Statorwicklung bilden, in die Öffnung 52 durch den Mund 62 eingeführt werden können, wenn die Maschine 10 zusammengebaut wird. Die Lippenteile 61 haben die Funktion, einen Sitz für einen Wicklungsverschlußkeil 66 aufzunehmen, der die Leiter 64 der statorwicklung innerhalb der durch die Öffnungen 52 gebildeten Statornuten fest in ihrer Lage hält. Um einzelne Statorwicklungen zu trennen, kann ein isolierendes Wicklungstrennglied 68 in den Statornuten, wie in Fig. 4 gezeigt, positioniert werden, und ein Isolierfilm 70, der gegen die Wände der Statornuten positioniert ist, verhindert einen Überschlag oder Kurzschluß einzelner Leiter 64 mit dem Material, aus welchem die Blechplatten 34 bestehen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung sind für ein gegebenes Verhältnis des Innendurchmessers ID zum Außendurchmesser OD der Platte 34 die Zähne 56 ausreichend weit bzw. breit relativ zu der Fläche der Nutöf fnungen 52, so daß das Verhältnis der Flußdichte in dem Zahnabschnitt 58 (Fig. 3) (BT&sub1;) zur Flußdichte im Jochabschnitt 60 (BY&sub1;), wenn die Statorwicklungen erregt werden, für einen gegebenen n-poligen Betrieb der Statorwicklungen im wesentlichen optimiert ist. Die tatsächliche Anzahl (S&sub1;) der Nutöffnungen ist nicht kritisch. Beispielsweise ist die Blechplatte 34 in Fig. 3 mit 24 Nuten gezeigt und weist die Abmessungen in Fig. 7 auf, die zum Einbau in eine Maschine mit einer 180- oder 210-Rahmengröße geeignet sind.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Konzept besteht darin, maximale Mengen an ferromagnetischem Material (z.B. Eisen) für die Blechplatten 34 und minimale Mengen an Wicklungsleitern, z.B. einzelne Leiter 64, in einer dynamoelektrischen Maschine mit einer gewünschten Leistungshandhabungsfähigkeit zu verwenden.
Bei der offenbarten Ausführungsform unterscheiden sich die Verhältnisse der Zahnabschnitte 58 zu den Jochabschnitten 60 für die Blechplatten 34 im wesentlichen von bekannten Aufbauten ebenso wie das Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchmesser der Blechplatten 34. Die Lippenteile 61 werden dadurch relativ zu den bekannten Aufbauten als Folge der relativ breiten Zähne 56 sehr klein. Die Verwendung von weniger Wicklungsmaterial führt außerdem zu kleineren Wickelköpfen (z.B. Stator- Wickelköpfen 36) an den Endflächen des Statorblechplattenstapels, und dadurch wird eine unerwünschte Flußleckage im Vergleich zu bisherigen Aufbauten deutlich verringert.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Rotorblechplatte für eine 180- oder 210-Rahmengroße in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Rotorblechplatte ist aus einer flachen kreisförmigen Platte 70 aus ferromagnetischem Material gebildet. Die Platte 70 hat eine Anzahl (z.B. 28 für n = 2) von gleichmäßig über den Umfang beabstandeten geschlossenen Nuten 72, die sich symmetrisch um radiale Mittenlinien in der Nähe des Außenrands der Platte 70 erstrecken. Rotorzähne, die zwischen den Nuten 72 gebildet sind, haben jeweils eine Breite von T&sub2;. Die Nuten 72 sind so gebildet, daß sie elektrisch leitende Stäbe 42 (Fig. 1) enthalten, die sich im wesentlichen parallel zu der Achse des Rotors 18 erstrecken, wenn die Platten 70 Stirnfläche-zu-Stirnfläche aufeinandergestapelt sind, wöbei die entsprechenden Nuten 72 im wesentlichen fluchten, um miteinander in Verbindung zu stehen. Jede der Nuten 72 ist im wesentlichen rechteckig über einen oberen Nutbereich 74, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt. Eine krummlinige oder halbkreisförmige Kante 76 einer jeden Nut 72 benachbart zu dem Außenumfang 78 der Platte ist symmetrisch um die radiale Mittenlinie der Nut 72. Die krummlinige Kante weist eine Halbkreisform mit einem Radius zwischen 0,625 mm und 0,750 mm auf. Endpunkte 80a, 80b der halbkreisförmigen Kante 76 fallen mit Enden von beabstandeten im wesentlichen parallelen Kanten 82a, 82b der Platte 70 zusammen. Die Kanten 82a, 82b erstrecken sich mit gleichen Abständen L&sub1; in der Richtung auf die Mitte bzw. das Zentrum C der Rotorblechplatte 70 zu. Ein Brückenbereich 84 der Platte 70 wird dadurch zwischen der Kante 76 und dem Außenumfang 78 gebildet.
Wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, mündet ein oberer Teil einer jeden Nut 72, der durch die Kante 76 und die parallelen Kanten 82a, 82b festgelegt ist, in einen unteren Teil der Nut, der im wesentlichen dreieckförmig und symmetrisch um die radiale Mittenlinie ist. Ausgehend von einer Basislinie B sind gegenüberliegende Enden der Kanten 82a, 82b kontinuierlich mit einem ersten Radius R&sub1; gekrümmt, um ausgehend von der Mittellinie über einen Bogen von ungefähr 90º nach außen auseinanderzulaufen, und sie sind daraufhin auf die Mitte C der Platte 70 zu mit einem zweiten Radius über einen weiteren Bogen von ungefähr 90º gekrümmt, wie in Fig 6 gezeigt, zu einem Satz von Punkten 84a, 84b. Ausgehend von dem zuletzt genannten Satz von Punkten laufen im Abstand angeordnete gerade Kanten 86a, 86b der Platte 70 aufeinander zu über einer radial gemessenen Länge L&sub2; in Richtung auf die Plattenmitte C und enden an Punkten 88a, 88b. Eine weitere krummlinige oder halbkreisförmige Kante 90 verbindet die Punkte 88a, 88b.
Im Zusammenhang mit sowohl den Stator- wie den Rotorblechplatten wird vorliegend auf einen "gestanzten Durchmesser" und "Durchmesser" bezug genommen. In diesem Zusammenhang bedeutet "gestanzter Durchmesser" durch eine Stanzpresse "gestanzt" und es sind keine Endbearbeitungsvorgänge zum Festlegen eines Luftspalts damit gemeint, der endbearbeitete Oberflächen festlegt. Beispielsweise versteht sich ein Rotorblechplattendurchmesser von etwa "102 mm" einschließlich einer Blechplatte mit einem nominalen gestanzten Durchmesser von 102 mm, ebenso wie mit einer Rotorblechplatte, die innerhalb eines fertigbearbeiteten Rotors gestapelt ist und einen endbearbeiteten Außendurchmesser von etwas weniger als 102 mm aufweist, so daß ein geeigneter Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Statorkern der Maschine 10 beibehalten wird.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt bevorzugte Abmessungswerte für sowohl die Statorblechplatte 34 wie die Rotorblechplatte 70 für eine 2-Pol-, 3-Phasen-dynamoelektrische Maschine 10, die in Übereinstimmung mit dem 180-Rahmen-NEMA-Standard aufgebaut ist. In den folgenden Tabellen bedeutet S&sub1; die Anzahl an Statornuten; S&sub2; bedeutet die Anzahl an Rotornuten; T&sub1; bedeutet die Statorzahnbreite und T&sub2; bedeutet die Rotorzahnbreite. TABELLE 1 NEMA-STANDARD- 1 80-RAHMEN
Die nachfolgende Tabelle 2 enthält bevorzugte Werte für die Platten 34, 70 in einem 2-Pol-, 3-Phasen-210-Rahmen nach NEMA- Standard. TABELLE 2 NEMA-STANDARD-210-RAHMEN
Fig. 7 zeigt eine Tabelle, in welcher physikalische Konstanten, Beziehungen und Verhältnisse, die den Blechplatten zugeordnet sind, die in Übereinstimmung mit der Erfindung gemäß Tabellen 1 und 2 bemessen sind, mit den nächstliegenden bekannten Konfigurationen gemäß dem Stand der Technik für 2-Pol-Wechselstrominduktionsmotoren mit NEMA-180- und -210-Größen verglichen sind. Zum Vergleich mit bekannten Werten sind die speziellen Messungen in Inch bzw. Zoll umgewandelt. In Fig. 7 enthalten ist ein Wert der Netto- und Bruttofläche der Nut in dem Stator multipliziert mit der Anzahl an Nuten in dem Stator. Die Netto-Nutfläche (ASLOT-NET) ist gleich der Brutto-Nutfläche (ASLOT-GROSS, siehe Fig. 3) weniger der Fläche, die durch die Nutauskleidungen, Trennorgane und Keile eingenommen wird, und weniger der Fläche am Mund, die nicht zur Einführung von Wicklungen verfügbar ist (siehe Fig. 4).
Aus Fig. 7 geht hervor, daß zusätzlich dazu, daß sie ein geringeres Innendurchmesser-zu-Außendurchmesser-Verhältnis als entsprechende Blechplatten gemäß dem Stand der Technik haben bzw. hat, die Zahnbreite der vorliegenden Blechplatten üblicherweise größer ist als in Blechplatten gemäß dem Stand der Technik. Das Produkt der Anzahl an Rotornuten (S&sub2;) mal der Rotorzahnbreite (T&sub2;), dividiert durch das Produkt der Anzahl an Statornuten mal der Statorzahnbreite (T&sub1;) liegt für die 180- und 210- Größen bevorzugt im Bereich von 0,825 bis 0,90. In den Beispielen von Fig. 7 beträgt das Verhältnis in beiden Fällen 0,850.
Fig. 7 stellt die speziellen Werte für unterschiedliche Verhältnisse bereit, die zur Festlegung der verbesserten Blechplatte verwendet werden. Das Verhältnis ID/OD gibt das Verhältnis des Innendurchmessers der Statorblechplatte zum Außendurchmesser wieder, und es liefert eine Anzeige für die größere Menge an ferromagnetischem Material als Kupfer, die bei den vorliegenden Blechplatten verwendet wird. Das Verhältnis T1/Ts gibt das Verhältnis der Zahnbreite (T&sub1;) für die Statorblechplatte zu dem Bohrungsumf ang, dividiert durch die Anzahl an Statornuten S&sub1; (TS = π x ID/S&sub1;) wieder. Dies erbringt effektiv eine Anzeige für die Zahnbreite. Der Wert Bt1/By1 kann verwendet werden, um die Flußdichte in dem Zahn zu bzw. gegenüber der Flußdichte in dem Joch darzustellen, wenn angenommen wird, daß der Fluß in dem Zahn und in dem Joch derselbe ist, wobei es sich hier um eine starke Annäherung handelt. Dieses Verhältnis ergibt eine Anzeige für das Zahn/Joch-Verhältnis. Dieses Verhältnis ist auch geometrisch aus einer Statorblechplatte durch die Beziehung Bt1/By1 = (π x n x Y1)/(S&sub1; x T&sub1;) ableitbar, wobei n die Anzahl an Polen ist, Y1 die in Fig. 3 gezeigte Abmessung ist und S&sub1; und T&sub1; wie vorstehend festgelegt sind. Um die speziellen Verhältnisse der Blechplattenquerschnitte gemäß dem Stand der Technik mit denjenigen gemäß der vorliegenden Erfindung zu vergleichen, wird auf die Tabelle verwiesen, die in Fig. 7 gezeigt ist.
Es sei daran erinnert, daß die entstehenden verbesserten Blechplatten das Ergebnis einer Wechselwirkung der verschiedenen Werte sind. Deshalb wird nicht ein jeder der Werte für jede Ausführungsform konsistent geändert. Das Ergebnis steht jedoch in Übereinstimmung mit dem der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Konzept, das, wie ausgeführt, darin besteht, eine maximale Menge an Blechplattenmaterial und eine minimale Menge an Wicklungs(d.h. Kupfer)material zu verwenden.
Maschinen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung konfigurierte Blechplatten aufweisen, erbringen größere Leistungs/Volumen-Verhältnisse im Vergleich zu bekannten entsprechenden Maschinen. Selbstverständlich treten abhängig vom Wirkungsgrad Variationen bzw. Schwankungen auf. Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt einen Vergleich zwischen dem anteiligen bzw. prozentualen Wirkungsgrad und dem elektromagnetischen Volumen für 2-polige Wechselstrominduktionsmotoren mit Blechplatten gemäß der vorliegenden Erfindung und entsprechende Motoren gemäß dem Stand der Technik. TABELLE 3 2-POL-WECHSELSTROMINDUKTIONSMOTOREN - 180-RAHMEN
* Die Werte liegen in mm³ x 10&supmin;&sup6; vor. Dadurch bedeutet der tabulierte Wert 2,75 2,75 (10&sup6;) mm³; der tabulierte Wert 2,27 bedeutet 2,27 (10&sup6;) mm³ usw.
Durch die Verwendung von relativ breiteren Zähnen in den vorliegenden Blechplatten kann eine Flußdichtesättigung für eine gegebene Größe und eine Kraftmaschine mit einem kürzeren Blechplattenstapel als bei Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik erzielt werden. Das elektromagnetische Volumen (OD)²L für Maschinen gemäß der Erfindung ist allgemein bzw. üblicherweise niedriger als die Volumina in den Maschinen gemäß dem Stand der Technik bei ungefähr demselben oder sogar einem besseren Wirkungsgrad. Bei dem 10-PS-Motor mit großem Wirkungsgrad (gr.Eff.) wurde ein größeres Volumen verwendet; aber es wurde eine ziemlich deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt. Für den 15-PS-Motor mit hohem Wirkungsgrad wurde ein billigerer Stahl verwendet, der größere Verluste hatte, so daß, obwohl ein größeres Volumen vorlag und lediglich eine geringe Wirkungsgradverbesserung erzielt wurde, die Kosteneinsparung deutlich war und nur unter Verwendung der vorliegenden Auslegung erzielt werden konnte. Die Verwendung breiterer oder fetterer Zähne erzeugte auch eine relativ hihere Flußdichte in dem Luftspalt zwischen den Stator- und Rotorblechplattenstapeln in Maschinen gemäß der Erfindung. Dadurch konnte mehr an Drehmoment von dem Rotor für eine gegebene Maschinengröße erzeugt werden.
Die vorliegend verwendete Terminologie, wie "allgemein zylindrisch", "im wesentlichen rund" und "ringförmig" in bezug auf oder in Verbindung mit Blechen (oder Platten) oder Strukturen, die aus diesen Blechen hergestellt sind (z.B. "Kerne", Statoren usw.), versteht sich als beschreibend und schließt Blechplatten, Kerne usw. ein, die keine "wirklich runden" Konfigurationen aufgrund des Vorhandenseins von über den Rand angeordneten "Keilnuten", Markierungskerben, aus Herstellungsverfahren resultierenden Flachstellen (die beispielsweise aus Zick-Zack-Stanzlinien herrühren) usw. aufweisen.

Claims

1. Dynamoelektrische Maschine enthaltend: ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse (12); einen Statorkern (14), der in dem Gehäuse befestigt und aus Statorblechplatten (36) aus magnetischem Material gebildet ist, wobei der Statorkern eine zylindrische Bohrung (16, 50) aufweist;

eine zweipolige Statorwicklung, die in Statornuten (52) eingebettet ist, die von der Bohrung radial vorstehen und sich im wesentlichen axial entlang dem Kern erstrecken, wobei die Wickelköpfe (36) der Wicklung über Stirnflächen (48a, 48b) des Statorkerns hinausragen;

einen Rotor (18), der in der Bohrung für eine Drehbewegung gehaltert ist;

wobei jede der Statorblechplatten enthält: eine ebene Platte (34) aus magnetischem Material mit einem vorgewählten äußeren Umfang (59) und einer im wesentlichen kreisförmigen inneren Öffnung mit einem vorgewählten Innendurchmesser (ID), der die Statorbohrung (50) bildet, wenn gleiche Platten Stirnfläche-zu Stirnfläche aufeinandergestapelt sind, wobei die Platte (34) eine Anzahl von auf dem Umfang gleichförmig im Abstand angeordneten Nuten (52) aufweist, die von der Bohrung radial nach außen zu einem Zwischenumfang der Platte vorstehen, um Zähne (56) zwischen den Nuten zu bilden, wobei die Nuten die Statornuten bilden, wenn entsprechende Nutöffnungen in den gleichen Platten im wesentlichen fluchtend ausgerichtet, um miteinander in Verbindung zu stehen, und die Platten gestapelt sind,

wobei die Platte (34) einen Zahnabschnitt (58), der durch die Zähne (56) mit einem radialen Verlauf zwischen dem Zwischenumfang und der kreisförmigen inneren Öffnung gebildet ist, und einen Jochabschnitt (60) aufweist, der zwischen dem Zwischenumfang und dem äußeren Umfang (59) der Platte gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Rotor (18) von Rotorblechplatten (70) aus ferromagnetischem Material gebildet ist, wobei der Rotor leitende Mittel (42) für eine Wechselwirkung mit einem Magnfeld hat, das in einem Luftspalt zwischen einem äußeren Umfang (78) des Rotors und einem inneren Umfang des Statorkerns (50) gebildet ist, wenn die Statorwicklung erregt ist;

wobei jede der Rotorblechplatten (70) eine ebene kreisförmige Platte aus ferrogmagnetischem Material aufweist, die eine Anzahl von auf dem Umfang in gleichen Abständen angeordneten geschlossenen Nuten (72) hat, die in einem Bereich nahe einem äußeren Umfang (78) der Platte radial verlaufen,

die Rotornuten (72) geformt sind, um leitende Teile (42) zu enthalten, die sich axial entlang dem Rotor erstrecken, wenn gleiche Platten Stirnfläche-zu-Stirnfläche mit entsprechenden Nuten gestapelt sind, die miteinander in Verbindung stehen,

die Statorblechplatten ringförmige Platten (34) aus ferromagnetischem Material sind, die einen vorgewählten Aussendurchmesser (OD) haben,

wobei die im Abstand angeordneten Nuten (52) der Statorblechplatten einander gleich sind,

wobei für ein gegebenes Verhältnis des vorgewählten Inndurchmessers (ID) zu dem vorgewählten Außendurchmesser (OD) und für ein gewähltes Verhältnis des Zahnabschnittes (58) zu dem Jochabschnitt (60) für die ringförmige Platte (34) von jeder der Statorblechplatten die Zähne (56) eine Umfangsbreite (T1) haben, die genügend weit relativ zu der Breite der Nutöffnungen (52) ist, wobei die Breite als die Öffnuhg zwischen den Zähnen (56) definiert ist, so daß die Flußdichte in dem Zahnabschnitt (58) etwa 1,10 der Flußdichte in dem Jochabschnitt (60) beträgt als Antwort auf die Erregung der Statorwicklung für die Anzahl von Polen in der Betriebskonfiguration der Statorwicklung; und

wobei das Verhält des Inndurchmessers zum Außendurchmesser der das Statorblech bildenden ringförmigen Platte (34) größer als 0,5025 und bis zu 0,504 ist, wodurch eine verbesserte Effizienz erzielt werden kann, ohne die Stapelhöhe der Statorblechplatten zu vergrößern.

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Anzahl der Nuten (72) von jeder der Rotorblechplatten (70) und der vorbestimmten Breite von einer Rotorzahnbreite ein erster Wert ist, das Produkt der Anzahl von Statornuten und der Breite der Statorzähne ein zweiter Wert ist und das Verhältnis des ersten Wertes zum zweiten Wert in dem Bereich von 0,825 bis 0,90 liegt.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Rotornuten durch einen gekrümmten bzw. kurvenlinearen Rand (76) an einem oberen Nutbereich neben dem Umfang (78) der Rotorblechplatte (70) definiert und symmetrisch zu einer radialen Mittellinie ist, wobei Endpunkte des gekrümmten Randes mit Enden von im Abstand angeordneten, im wesentlichen parallelen Seiten (82a, 82b) des oberen Nutbereiches komzident sind, wobei die Seiten sich über gleiche Strecken in einer Richtung auf eine Mitte von jeder der Rotorblechplatten erstrecken, um mit dem gekrümmten Rand einen oberen Teil der Nut zu bilden, wobei sich der obere Teil in einen unteren Teil der Nut öffnet, der im wesentlichen dreieckförmig (86a, 86b) und im wesentlichen symmetrisch zu der radialen Mittelinie ist.

4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung von einer minimalen Anzahl von Leitern gebildet ist, die in den Statornuten für die Betriebskonfiguration enthalten sind, so daß Streufluß von den Wickelköpfen an den Stirnflächen des Stators wesentlichen verkleinert ist.

5. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Außdurchmesser der Statorblechplatte (34) etwa 203 mm beträgt.

6. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Außdurchmesser der Statorblechplatte (34) etwa 242 mm beträgt.

7. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Rand (76) von jeder geschlossenen Nut in den Rotorblechplatten (70) halbkreisförmig ist mit einem Radius in dem Bereich von etwa 0,625 mm bis 0,750 mm.

8. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei der gekrümmte Rand (76) von jeder geschlossenen Nut in den Rotorblechplatten (70) halb gekrümmt ist mit einem Radius in dem Bereich von etwa 0,625 mm bis 0,750 mm.

9. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die im Abstand angeordneten parallelen Seiten des oberen Nutbereiches von jeder Rotornut über eine Strecke in dem Bereich von etwa 6,113 mm bis 6,488 mm erstrecken und der untere Teil von jeder Rotornut sich über eine Strecke in dem Bereich von etwa 11,644 mm bis 16,936 mm erstreckt.

10. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei sich die im Abstand angeordneten parallelen Seiten des oberen Nutbereiches von jeder Rotornut über eine Strecke in dem Bereich von etwa 6,113 mm bis 6,488 mm erstrecken und der untere Teil von jeder Rotornut sich über eine Strecke in dem Bereich von etwa 11,644 mm bis 16,936 mm erstreckt.