DE3885101T2 - Statoreinheit für dynamoelektrische maschine. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf dynamoelektrische Maschinen und spezieller auf eine Statoreinheit für rotierende dynamoelektrische Maschinen vom Induktionstyp, die über einen breiten Geschwindigkeitsbereich, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, arbeiten können.
Stand der Technik
• Einstellbare Geschwindigkeitsantriebe verwenden herkömmlicherweise Motoren für allgemeine Zwecke, die aus Standardausführungen ausgewählt sind, basierend auf Eigenschaften wie niedriger Blindwiderstand, der Fähigkeit, über einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich zu arbeiten, und Wärmeabweisungsfähigkeit bei den beabsichtigten Betriebsgeschwindigkeiten. Diese Zielsetzung führt zu brauchbaren Auslegungen, jedoch auch zu merklichen Einschränkungen, insbesondere für die Geschwindigkeitskapazität und die Gesamtsystemleistungsfähigkeit.
• Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind dynamoelektrische Maschinen verschiedener bekannter Konstruktionen ausprobiert worden, jedoch mit beschränktem Erfolg. Synchron- und Induktionsmotoren sind zum Beispiel mechanisch beschränkt bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund des Fehlens gegenständlicher Ganzheit der Rotationsstruktur (die die Welle, Polschuhe und Feldwicklung umfaßt) bei hohen Drehgeschwindigkeiten. Dies führte zu wenigen Anwendungen der Induktionsmaschine oberhalb 3600 Umdrehungen pro Minute. Es können natürlich Getriebe eingesetzt werden, um die Ausgangsgeschwindigkeit des standardmäßigen Induktionsmotors zu multiplizieren, dies hat sich jedoch nicht als besonders zuverlässig bei höheren Multiplikationsfaktoren erwiesen. Außerdem bestehen Grenzen in bezug darauf, wie hoch man "Hochübersetzen" kann.
• Bei anderen Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind ein kleiner "universeller" Motor oder ein Permanent-Magnetmotor verwendet worden. Jedoch ist der Universalmotor nicht besonders wirksam und ist schwierig im Maßstab zu vergrößern. Der Permanent-Magnetmotor ist andererseits nicht sehr effektiv in den Kosten und ist auch unpraktisch für große Maschinen. Maschinen vom Typ mit variabler Reluktanz (ohne Feldwicklungen) sind in jüngster Zeit für bestimmte Anwendungszwecke vorgeschlagen worden, verwenden jedoch im allgemeinen laminierte Rotoren, die dazu neigen, bei hohen Geschwindigkeiten auseinanderzufallen.
• Ein anderer Versuch zum Realisieren von Betrieb mit hoher Geschwindigkeit, insbesondere für Elektrizitätserzeugung, verwendet eine dynamoelektrische Maschine vom Induktortyp. Solche Maschinen sind im allgemeinen gekennzeichnet durch einen Stator, der sowohl Wechselstrom-Anker- als auch Gleichstromerregungsspulen, die einen spulenlosen Rotor umgeben, einschließt. Da es kein Drehfeld oder Ankerspulen bei diesem Typ von dynamoelektrischer Maschine gibt, können Schleifringe, Bürsten und zugehörige Verbindungen, die Maschinen mit drehenden Windungen haben müssen, vollständig weggelassen werden. Dieses Merkmal, gekoppelt mit der typischen festen Konstruktion des Maschinenrotors, macht die Induktionsmaschine besonders anpaßbar an Anwendungszwecke mit hoher Drehgeschwindigkeit.
• Eine bekannte Version einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp verwendet eine am Umfang verteilte Anordnung von "C" oder "U"-förmigen Ankerelementen, die eine allgemein zylindrische Feldspule umgeben, die ihrerseits einen Transversalpol-Magnetrotor umschließt. In dem US-Patent 437,501 von W.M. Mordey wird zum Beispiel ein "elektrischer Generator" mit einer Statoreinheit beschrieben, bei dem eine stationäre zylindrische Feldspule angewendet wird und bei dem "U"-förmige Magnetpole abwechselnd angeordnet und entgegengesetzt gerichtet auf entgegengesetzten Seiten einer einzigen Ankerspule angeordnet sind. In der Anordnung von Mordey werden die U-förmigen Magnetpole und die einzige Ankerspule durch mit Bolzen zusammengehaltene Seitenrahmen getragen. Die Feldwicklung wird stationär durch Bänder gehalten, die die Wicklung umgeben; die Enden der Bänder sind an Längsstäben befestigt, die sich zwischen den Seitenrahmen erstrecken (Referenz Fig. 3 des Mordey-Patents und Beschreibung dazu).
• In dem US-Patent 2,519,097 von F.J. Allen wird eine dynamoelektrische Maschine vom Induktortyp beschrieben, bei der auch eine um den Umfang herum verteilte Anordnung von bogen- oder U-förmigen Ankerelementen verwendet wird, die eine stationäre Feldwicklung und einen drehbaren Transversalpolmotor einschließen. Wie bei dem Mordey-Patent sind die Ankerelemente bei allen an einem äußeren Rahmen angebracht. Eine jüngere Version dieser Konfiguration einer dynamoelektrischen Maschine ist in dem US-Patent 3,912,958 für einen "Fluß-geschalteten Induktor-Wechselstromgenerator", ausgegeben an D.B. Steen, dargestellt. Obgleich die Einzelheiten der Befestigung der Statoreinheit nicht völlig zeichnerisch dargestellt oder in dem Steen-Patent beschrieben sind, sind in einer Ausführungsform (d. h. Fig. 3) die Vielzahl der umfangmäßig verteilten Statorstangen mechanisch mit einem thermomagnetischen Flußring an einem Ende der Statoreinheit verbunden, der dazu dient, die Stangen zu haltern.
• CH-A-269 620 beschreibt einen Wechselstromgenerator mit stationären Erregerwicklungen in dem Stator und einem Rotor ohne Wicklungen, wobei der Rotor innerhalb eines Rohres gelegen ist, der aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist. Der Anker besteht aus Blöcken von laminiertem Eisen mit Kernen, die zu der inneren Seite herausragen und die Ankerwicklungen tragen. Die Justierung dieser Blöcke muß vorgenommen werden, indem sie fest zum Beispiel mittels Eisenverbinder verbunden werden. Auf diese Weise beinhaltet der Zusammenbau des Generators mühsame Arbeit.
• Obgleich die obenbeschriebenen bekannten Ausführungen von Maschinen vom Induktortyp für Hochgeschwindigkeitsbetrieb tauglich sind, leiden sie an bestimmten praktischen Beschränkungen. Jede scheint primär elektrische Erzeugung zu betreffen. Es wäre natürlich wünschenswert, solch eine Maschine so auszulegen, daß sie für Betrieb in allen vier Bereichen geeignet ist, d. h. als Generator, als Motor, Vorwärts- und Rückwärtslauf. Weiterhin ist es zur Optimalisierung des Arbeitens der Maschine in hohem Maße wünschenswert, die verschiedenen Ankerelemente axial, radial und entlang des Umfangs leicht präzise zu positionieren und diese präzise Lokalisierung und zugeordneten kritschen Abstand zwischen den Bauteilen während des Maschinenbetriebs aufrechtzuhalten. Die äußeren Befestigungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik lassen dieses Ziel nicht wirksam erreichen und komplizieren auch den Zusammenbau, den Auseinanderbau und die Reparatur der Maschine. Weitere Verfeinerungen beim Kühlen derartiger Maschinen während des Betriebs und beim Erreichen höherer Flußabschirmung sind ebenfalls wünschenswert.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Statoreinheit einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp zu schaffen, die leichter zusammengebaut werden kann, während es möglich ist, die verschiedenen Ankerelemente axial, radial und entlang des Umfangs präzise zu positionieren und diese präzise Positionierung und den Abstand zwischen den Bauelementen während des Maschinenbetriebs über einen weiten Bereich der Betriebsarten, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb, aufrechtzuhalten.
• Diese Aufgabe wird durch eine Statoreinheit gelöst, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Statoreinheit sind in den Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
• In Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung ist ein spulenartiger Aufbau zum Tragen des Stators der rotierenden dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp vorgesehen. Solch ein Aufbau liefert einen inneren Träger für Feldwicklungen und befestigt und positioniert genau eine Vielzahl entlang des Umfangs verteilter C-förmiger Ankerelemente in drei orthogonalen Richtungen. Der spulenartige Aufbau ist aus nicht-magnetischem Material hergestellt und hat einen hohlen langgestreckten zentralen Abschnitt, der sich konzentrisch um eine Längsachse erstreckt. Dieser zentrale Abschnitt trägt eine Feldspule und definiert einen inneren Längsdurchgangsweg zur Aufnahme des Einsteckteils eines koaxialen Rotors. An jedem Ende des zentralen Abschnitts erstrecken sich Endabschnitte radial von innen nach außen. Jeder dieser Endabschnitte trägt eine Vielzahl von Ankerkernpositionierelementen, die jeweils auf ihm an winkelmäßig beabstandeten Stellen angeordnet sind. In einem bevorzugten Aufbau umfaßt jedes der Ankerkernpositionierelemente eine radial orientierte Nut in der axial äußersten Oberfläche eines Endabschnittes. Die Nuten sind so ausgelegt, daß sie Beinabschnitte von allgemein C-förmigen Ankerkernelementen, die in einer entlang des Umfangs des spulenartigen Aufbaues verteilten Anordnung angeordnet sind, aufnehmen und orientieren. Die Endabschnitte des spulenartigen Aufbaus sind axial beabstandet und radial dimensioniert, und die Nuten in jedem Endabschnitt sind winkelmäßig so beabstandet, daß die Ankerelemente in drei orthogonalen Richtungen präzise positioniert werden und daß die radial innersten Enden der Ankerkernelemente mit gleichem Abstand von der Längsachse und von den radial innersten Enden benachbarter Kernelemente getrennt gehalten werden.
• Für Kühlzwecke kann der zentrale Abschnitt des spulenartigen Aufbaus mit Kühlöffnungen nahe seiner Enden versehen werden, die vorzugsweise mit verlängerten Einschnitten in der Oberfläche eines Rotors kommunizieren, der für die Drehung in dem Durchgangsweg, der durch den zentralen Abschnitt definiert ist, montiert ist. In dieser Ausführungsform wirkt der Rotor als ein Gebläserad und treibt Kühlfluid durch die Kühlöffnungen zentrifugal vorwärts. Vorzugsweise ist der zentrale Abschnitt des spulenartigen Aufbaus aus elektrisch leitendem Material hergestellt, das mit der Zeit variierenden Fluß innerhalb des Rotors unterdrückt und auch Wärmedissipation ermöglicht.
• Die Erfindung beabsichtigt weiterhin folgendes:
• Zusätzliche Flußabschirmung zwischen benachbarten Ankerkernelementen; eine Einrichtung zum Festklemmen oder zum anderen Sichern der Ankerkernelemente an den Endabschnitten des spulenartigen Aufbaus, um Elementvibration und Rauschen zu reduzieren; Rändeln von Rotorflügeloberflächen, um Wirbelstromverluste zu reduzieren und Kühlung zu verbessern; die Verwendung eines Rotorstellungskodierers für die Lieferung eines Feedback-Signals, um synchronen Betrieb zu erleichtern; die Preßpassung einer Statoreinheit, die auf dem spulenartigen Aufbau innerhalb einer Rahmeneinrichtung montiert ist, um den Maschinenzusammenbau, den Auseinanderbau und die Reparatur zu vereinfachen; und die Konstruktion einzigartiger Statoreinheiten und verbesserter justierbarer Geschwindigkeits- und/oder Hochgeschwindigkeitsdynamoelektrischer Maschinen, in denen dieser spulenartige Halterungsaufbau inkorporiert ist.
• Der neue verbesserte Aufbau der Statoreinheit einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp ist fähig für Betrieb über einen weiten Geschwindigkeitsbereich, einschließlich sehr hoher Geschwindigkeiten, und zeigt erhöhten Wirkungsgrad, Struktureinheitlichkeit, Zuverlässigkeit, Reparaturfähigkeit und Kosteneffektivität. Weiterhin wird die Flußabschirmung und die Ventilierung der dynamoelektrischen Maschine verbessert.
• Noch ein anderer Vorteil ist, daß eine praktische, stabile, leistungsfähige dynamoelektrische Maschine vom Induktortyp geschaffen wird, die effektiv in vier Betriebsarten arbeiten kann, die auch in der Lage ist, bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Kraftdichte zu arbeiten und hohe Temperaturen aushält.
• Noch ein weiterer Vorteil ist, daß die Erfindung eine im hohen Maße zuverlässige Auslegung für eine rotierende dynamoelektrische Maschine vom Induktortyp liefert, die inneres Montieren und präzise Positionierung von Statorelementen ermöglicht und auch die Inkorporation von mit Fluid gekühlten Wicklungen gestattet, ohne daß die Notwendigkeit für drehende Dichtungen entsteht.
• Weiterhin ist die neue Statoreinheit für eine rotierende dynamoelektrische Maschine vom Induktortyp kompakt, selbsttragend, relativ leicht zusammenzubauen und auch genau bei der Positionierung von Statorbauteilen.
• Deshalb wird die Statorhalterung leicht hergestellt, gewährleistet präzise Positionierung von entlang des Umfangs verteilten C-förmigen Ankerelementen und erleichtert Flußabschirmung und Kühlfluidzirkulation.
• Die Statorhalterung leistet Ankerkernpositionierung, Coulomb- Kräftedämpfung, Feldwicklungshalterung, reduzierte Flußverluste, Kühlung und ermöglicht das Anwenden dünner Laminierungen als Ankerelemente, die ihrerseits Verluste bei hohen Frequenzen reduzieren.
• Diese Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
• Fig. 1 eine Querschnittsansicht von der Seite einer Ausführungsform einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp mit einer Statoreinheit ist, die nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
• Fig. 2 eine teilweise abgebrochene Querschnittsansicht von der Seite einer anderen Ausführungsform einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp ist, die nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
• Fig. 3 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 4 ein querschnittsmäßiges Fluidflußdiagramm ist, das nützlich zum Verständnis eines Ventilationsmerkmals der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 5 eine isometrische abgeschnittene Zeichnung der dynamoelektrischen Maschine von Fig. 3 in zusammengebauter Form ist;
• Fig. 6 eine Querschnittsendansicht von magnetischen Bauteilen einer Maschine ist, die gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung auf gebaut ist;
• Fig. 7 eine Querschnittsansicht von der Seite noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und
• Fig. 8 eine Querschnittsendansicht des Endabschnittes einer Statorhalterung ist, die in der Ausführungsform der Fig. 7 verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung
• Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine erste Ausführungsform einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine vom Wechselstrominduktortyp mit transversalen Polen, die in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, gezeigt ist. Die allgemein mit 2 bezeichnete Maschine umfaßt eine stationäre Statoreinheit 4, die einen drehbaren, spulenlosen Rotor 40 umgibt. In dieser vereinfachten Ausführungsform ist die Maschine ohne ein sie umgebendes Gehäuse oder einen Rahmen dargestellt, um die eigentliche Natur der Statorhalterung erkennbar zu machen.
• Der Rotor 40 erstreckt sich entlang einer Längsachse 6 und verläuft koaxial mit ihr. Der Rotor hat vorzugsweise eine feste einstückige Konstruktion und wird von Lagern 7 an jedem Ende der Rotorwelle 46 gehaltert. In dieser vereinfachten Ausführungsform sind die Lager 7 auf Ständern 8 befestigt, die ihrerseits auf einer Grundplatte 9 getragen werden. Der Rotor 40 hat einen mittleren zylindrischen Abschnitt 41, der mit entlang des Umfangs beabstandeten, sich axial erstreckenden Oberflächeneinschnitten oder Ausschnitten 42 an seinen Enden versehen ist, die eine gewünschte Anzahl von Flügeln 44 an jedem Ende des Transversalpolrotors in einer Weise, die an sich beim Stand der Technik bekannt ist, definieren. Der Rotor kann aus irgendeinem verfügbaren magnetischen Material, zum Beispiel Kohlenstoffstahl, aufgebaut sein.
• Die Statoreinheit 4 umfaßt einen inneren spulenartigen Halterungsaufbau 10, der auf der Grundplatte 9 ruht und, wenn es gewünscht wird, durch Bügel 11 oder andere geeignete Einrichtungen an ihr befestigt ist. Der spulenartige Aufbau 10 hat einen mittleren, allgemein zylindrischen Abschnitt 12, der koaxial mit der Längsachse 6 verläuft und einen inneren, sich in Längsrichtung erstreckenden zentralen Durchgangsweg für die Aufnahme des Rotors 40 bildet. Feld- (oder Gleichstromerregungs-)Wicklungen 22 sind um die äußere Oberfläche des zentralen Abschnitts 12 gewickelt und werden auf ihn getragen.
• Der Statorhalterungsaufbau 10 umfaßt auch ein Paar Endabschnitte 14, die sich radial nach außen von den Enden des zentralen Abschnitts 12 erstrecken. Wie im folgenden noch ausführlich beschrieben wird, dienen die Endabschnitte 14 dazu, eine Vielzahl von entlang des Umfangs verteilten C-förmigen (die auch als U- oder bogenförmig bezeichnet werden) Ankerkernelementen 26 zu befestigen und präzise zu positionieren. Jedes Ankerkernelement 26 ist vorzugsweise mit einer eigenen Wechselstrom-Ankerwicklung 24 versehen, die um einen sich in Längsrichtung erstreckenden Basisabschnitt des Kernelements gewickelt ist und von diesem getragen wird. Die Ankerkernelemente 26 sind aus magnetischem Material hergestellt, während der Halterungsaufbau 10 aus nicht-magnetischem Material, zum Beispiel Aluminium oder Phenolharzkunststoff, zusammengesetzt ist.
• Der Betrieb der Maschine 2 ist typisch für eine Synchron- Wechselstrom-Maschine insofern, als, wenn elektrischer Strom an die Feldwicklungen 22 angelegt wird und der Rotor 40 durch einige äußere Einrichtungen gedreht wird, Spannung in den Ankerwicklungen 24 auf die Weise eines Generators induziert wird. In ähnlicher Weise wird, wenn die Ankerwicklungen auf solch eine Weise mit Strom versorgt werden, daß eine Drehflußwelle an dem Spalt 60 erzeugt wird, der zwischen den radial innersten Enden der Ankerelemente 26 und den Rotorflügeloberflächen 44 besteht, wie dies bei mehrphasigen Wechselstrom-Synchron-Maschinen der Fall ist, der Rotor 40 der Maschine gezwungen, der Ankerflußwelle zu folgen, und dreht sich in der Art eines Elektromotors.
• Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp, die den einzigartigen spulenartigen Statorhalterungsaufbau 10 der vorliegenden Erfindung enthält. In dieser Figur sind, wie in all den Figuren, gleiche Elemente durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet und funktionieren auf die gleiche Weise. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Rotor 40 drehbar durch ein Paar Lager 48 gehaltert. Die Lager werden ihrerseits von Lagerhalterungen 50 in Endschutzwänden 51 getragen. Die Endschutzwände 51 sind in irgendeiner bekannten Weise an einem Rahmen 52 befestigt, der die Statoreinheit umgibt. Die Statoreinheit wird innerhalb des Rahmens 52 durch den spulenartigen Aufbau 10 getragen und ist vorzugsweise innerhalb des Rahmens 52 durch Endabschnittverlängerungen oder Sprossen 53 radial und durch Abstandshalter 55 axial zentriert. In einer bevorzugten Konstruktion ist die Statoreinheit durch Pressen in den Rahmen 52 eingepaßt, was leichten Zusammenbau, Auseinanderbau und leichte Reparatur von ihm gestattet.
• Die Ausführungsform von Fig. 2 umfaßt auch einen kreisförmigen Ring 57, der umfangsmäßig entlang der äußeren Kante der radialen Vorsprünge von Ankerkernelementen 26 angeordnet ist. Der Ring 57 kann mittels Bolzen 59 oder dergleichen an Endabschnitten 14 verbunden sein für den Zweck, die Ankerkernelemente 26 in ihren vorherbestimmten Stellungen an dem Halterungsaufbau 10 festzuklemmen. Andere geeignete Befestigungseinrichtungen können auch für diesen Zweck verwendet werden.
• Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erstrecken sich auch Einschnitte 42 des Rotors 40 vorzugsweise axial nach innen bis über die Endabschnitte 14 der Statorhalterung 10 hinaus. Wie im folgenden noch näher beschrieben wird, kann der zentrale Abschnitt 12 des spulenartigen Halterungsaufbaus 10 vorteilhafterweise mit Kühlöffnungen versehen sein, die sich nahe der Enden des zentralen Abschnitts 12 durch ihn hindurcherstrecken. Der Rotor 40 wirkt mit seinen ausgedehnten Rotoreinschnitten 42 als ein Flügelrad, das zentrifugal Kühlflüssigkeit durch die Kühlöffnungen in dem zentralen Abschnitt 12 der Statorhalterung vorantreibt, um dadurch die Maschinenkühlung zu verbessern, was insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen wichtig ist.
• Fig. 3 ist eine vereinfachte auseinandergezogene isometrische Darstellung einer typischen Ausführung der vorliegenden Erfindung und ist insbesondere nützlich für das Verständnis der Beziehung der Bauteile zueinander. Wie dargestellt ist, umfaßt der spulenartige Aufbau 10, der Feldwicklungen 22 und Ankerkernelemente 26 trägt, einen hohlen zylindrischen Körper 12 mit scheibenartigen Enden 14. Die Endabschnitte 14 enthalten eine Vielzahl peripherer Schlitze 16, die sich radial nach innen von der Peripherie des Endabschnitts zu den Schultern 32 erstrecken. Spalte oder Nuten 16' erstrecken sich radial nach innen von Schultern 32 an dem Boden der Schlitze 16 entlang der äußeren Oberfläche von jedem Endabschnitt 14. Die Schlitze 16 in Verbindung mit den Nuten 16' dienen zum Befestigen, Orientieren und präzisen Positionieren der Ankerkernelemente 26.
• Die Ankerwicklungen 24 sind jede für sich auf den Basisabschnitten von C-förmigen Kernelementen 26 plaziert und sind durch Leitungen 28 elektrisch verbunden. Zur Klarheit der Darstellung ist nur ein Ankerkernelement 26 in Fig. 3 gezeichnet. In der Praxis ist eine Vielzahl, zum Beispiel 18, solcher Ankerkerne in den winkelmäßig beabstandeten Nuten 16' in den Endplatten des spulenartigen Halterungsaufbaues 10 befestigt. Während des Zusammenbaues wird die Vielzahl der Kernelemente 26 in die Spulenendschlitze 16 so eingesteckt, daß die ankerwicklungsfreien Abschnitte 30 der Basen der Kernelemente 26 auf den Schultern 32 von Schlitzen 16 ruhen. Die Beine 34 der Kernelemente gleiten in die radialen Schlitzverlängerungen, d. h. Nuten 16', und wenn alle Elemente so installiert sind, bilden ihre radial innersten Enden 36 näherungsweise einen kreisförmigen Ort, der konzentrisch mit dem Rotor 40 ist, der koaxial innerhalb des Körperabschnitts 12 des spulenartigen Aufbaues installiert ist.
• In der Ausführungsform von Fig. 3 definiert ein Satz von Trennwänden 18, die als ein Teil des Rahmens 52 gezeigt sind, einen ineinanderpassenden Satz von Nuten 19 zum Aufnehmen der axial äußersten Kanten der C-Kernelemente 26. Die Trennwände 18 und zugeordnete Endglieder des Rahmens 52 umfassen eine Klemmeinrichtung zum Befestigen von C-förmigen Kernelementen 26 in ihren montierten radial, axial und umfangsmäßig richtigen Stellungen an Endabschnitten 14 des spulenartigen Halterungsaufbaues 10. Solch ein Festklemmen dient dazu, Kernelementvibration und -rauschen zu verringern.
• Der Halterungsaufbau 10 kann aus einem Stück hergestellt werden oder kann als einzelne Teile aufgebaut werden, die in einer an sich bekannten Weise aneinander befestigt sind. Der zentrale allgemein zylindrische Abschnitt 12 des Halterungsaufbaues ist vorzugsweise mit einem Satz umfangsmäßig beabstandeter, gewölbter Kühlöffnungen 20 an jedem seiner Enden versehen. Die Öffnungen 20 erstrecken sich durch die Wand des zentralen Abschnitts 12 und gestatten Kommunikation des Hohlraums innerhalb des Körpers 12 mit den Räumen, die für Feldwicklungen 22 und Ankerwicklungen 24 vorgesehen sind. Die Anzahl, die Lage, die Größe und die Gestalt der Öffnungen 20 können von denen, die in Fig. 3 dargestellt sind, abweichen. Der Kühlbetrieb, der die Öffnungen 20 mit einbezieht, wird später in Verbindung mit Fig. 4 näher beschrieben.
• Der Rotor 40 umfaßt einen einheitlichen Zylinder aus magnetischem Material, dessen Enden mit Ausschnitten oder Einschnitten 42 versehen sind, die eine Vielzahl von Flügeln 44 entstehen lassen, die zwischen den Einschnitten gelegen sind. Die Größe von Wirbelströmen, die in den Rotorflügeln 44 unter den Kernelementenden 36 durch die Wirkung von verbundenem wechselndem oder pulsierendem Fluß induziert werden, kann in Übereinstimmung mit einem wahlweisen Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein mechanisches Bearbeitungsverfahren reduziert werden, das als Rändeln bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird die ursprünglich glatte Oberfläche der Rotorflügel 44 unter Verwendung eines Rändelwerkzeugs in zahlreiche kleine erhabene Bereiche 44' transformiert. Diese Bereiche begrenzen die Größe des Wirbelstroms, der in der äußeren Oberfläche der Rotorflügel 44 fließen kann, wodurch niedrigere I²R-Verluste in der Rotoroberfläche erzeugt werden. Die Größe der Wirbelströme ist mit dem Skineffekt gekoppelt, und es ist bekannt, daß beide Mechanismen stärker werden, wenn die angelegte Frequenz des pulsierenden Flusses ansteigt.
• Das Rändeln von Rotorflügeloberflächen liefert weiterhin ein Zusatzverfahren zum Kühlen. Das Rändeln erhöht den Oberflächenbereich der Flügel und gestattet deshalb, daß das Kühlen leichter erfolgt.
• Wie in dem unteren Teil von Fig. 3 gezeigt ist, hat der Rotor 40 eine einstückige, aneinandergrenzende und koaxiale Rotorwelle 46, die sich in Längsrichtung von jedem Ende des Rotors 40 erstreckt. Um jedes Ende der Welle 46 ist ein Satz von Lagern 48 angeordnet, die, wenn sie in Lagerhalterungen 40 gelegt werden, den Rotor 40 koaxial innerhalb des hohlen Durchgangswegs, der durch den Körperabschnitt 12 definiert ist, drehbar haltern. Einschnitte 42 des Rotors 40 erstrecken sich axial ausreichend nach innen, um zu gewährleisten, daß sich die Einschnitte mit Kühlöffnungen 20 überlappen, wie es schematisch in der Beziehung zu dem Rotor durch die gestrichelt angedeuteten Öffnungen 20' dargestellt ist.
• Bei vielen Anwendungen wird ein Maschinenrahmen 52 verwendet, der an die Spulenenden anstoßende Glieder aufweist. In diesen Fällen können die Segmente 18 als ein integraler Teil des Maschinenrahmens 52 ausgebildet werden. Solch eine Anordnung würde gestatten, daß die Lagerhalterungseinrichtungen 50 an der Außenseitenfläche der Endglieder des Rahmens 52 mit Schrauben oder Bolzen befestigt werden, die durch die Endabschnitte 14 hindurchgehen und daran befestigt sind, oder alternativ dazu, durch die Endabschnitte hindurchgehen und an der gegenüberliegenden Lagerhalterungseinrichtung befestigt sind. Das Zusammenklemmen der radial ausgerichteten Teile dient dazu, C-förmige Kernelemente 26 in ihrer radial gleichbeabstandeten, umfangsmäßig beabstandeten Anordnung zu fixieren und auch um C-Kernelement- Vibration und -Rauschen zu reduzieren. Schließlich kann eine Rotorwellenpositionierbestimmungseinrichtung 54, zum Beispiel eine optische Kodierscheibe, auf einer Verlängerung der Welle 46 oder direkt innerhalb von den Lagern 48 angeordnet werden, um in einer an sich bekannten Art ein Feedbeck-Signal zu liefern, um synchronen Betrieb der Maschine zu verbessern.
• Fig. 4 ist ein vereinfachter teilweiser Querschnitt der Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, genommen zwischen benachbarten Kernelementen 26. Der Weg von Kühlfluid 56 ist klar dargestellt, wie er zwischen der Lagerhalterung 50 und dem Rahmen 52 eintritt. Der Punkt des Eintretens von Kühlfluid kann von dem gezeigten variieren; beispielsweise könnten Löcher in der Lagerhalterung 50 für das Einleiten von Fluid durch sie vorgesehen werden.
• Nach anfänglichem Einleiten strömt Kühlfluid 56 durch die Einschnitte 42, bewegt sich axial nach innen und wird dann durch den sich drehenden Rotor 40 zentrifugal durch Öffnungen 20 und in die Nähe von Feldwicklungen 22 und Ankerwicklungen 24 gedrückt. Die Feldwicklungen 22 sind vorzugsweise koaxial um die äußere Oberfläche des zylindrischen Körpers 12 gewickelt und so angeordnet, daß Fluidwege 58 um und innerhalb der Feldspule selbst eingerichtet werden. In dieser Ansicht ist auch klar der Spalt 60 gezeichnet, der zwischen den äußeren Umfangsflächen der Rotorflügel 44 und dem allgemein kreisförmigen Ort der radial innersten Enden 36 der C-förmigen Kernelemente entsteht. Das radiale Ausmaß dieses Spaltes liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,5 bis 1,3 mm (0,02-0,05 Zoll) was von der Größe der Maschine abhängt. Die Statoreinheit der vorliegenden Erfindung dient dazu, diesen Abstand innerhalb enger Toleranzen während des Maschinenbetriebs aufrechtzuhalten.
• In dieser Ausführungsform sind die C-förmigen Ankerkernelemente ähnlich herkömmlichen "C"-Kernen, die in vielen modernen Transformatoranwendungen verwendet werden. Die Ankerelemente können aus einzelnen lamellierten Blechen, in Wickelkonstruktion, in (gesinterter) Eisenpulverkonstruktion oder aufandere Weise aufgebaut sein. Die äußere Laminierung von jedem Kernelement 26 kann aus Kupfer oder einem anderen ähnlichen Material hergestellt sein, insbesondere in der Nähe der radial innersten Enden der Kernelemente, um zusätzliche Flußabschirmung zwischen den Elementen zu liefern. Alternativ dazu kann eine separate dünne Platte aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material oder ein äquivalenter Aufbau verwendet werden, um solch eine Flußabschirmung zwischen den Elementen zu liefern.
• Fig. 5 ist eine vereinfachte isometrische abgeschnittene Ansicht, die den Zusammenbau der in Fig. 3 gezeigten Bauteile zeigt. Die Umfangsverteilung der Ankerkernelemente 26 ist in dieser Figur klar dargestellt.
• Fig. 6 ist eine Endansicht nur von den magnetischen Bauteilen der Erfindung. Wie ersichtlich ist, sind die C-förmigen Kernelemente 26, wenn sie auf dem spulenartigen Aufbau getragen werden, radial angeordnet und vorzugsweise winkelmäßig gleich beabstandet. Die radiale Tiefe, bis zu der die Elemente 26 eingesetzt sind, wird bestimmt durch die Schultern 32 der jeweiligen Ankerbefestigungsschlitze 16. Der Rotor 40 ist zentral und koaxial innerhalb der Anordnung der C-Kernelemente 26 angeordnet, was den gewünschten Rotor- Anker-Spalt 60 entstehen läßt. Ein anderer Spalt, der hier als Zwischenelement-Spalt 62 bezeichnet wird, wird durch den speziell konstruierten Ankerelementbefestigungsaufbau erzielt. Dieser Zwischenelement-Spalt 62 minimalisiert Flußleck zwischen benachbarten Elementen und gestattet auch den Durchgang von Kühlfluid zwischen den Ankerkernelementen.
• Fig. 7 zeigt weitere Abwandlungen in einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In dieser Ausführungsform sind Rotorlager 48 direkt in den Endwänden des Rahmens 52 befestigt. Wellenabdichtungsringe 70 spannen die Lager vor und gestatten Wärmeausdehnung. Eine isolierte Lagerbefestigung 72 trennt ein Ende des Rotors von einer Rahmenverlängerung 73. Innerhalb der Rahmenverlängerung 73 liegt ein Rotor-Positionierkodierer, der in diesem Fall ein Getrieberad 74 umfaßt, das an dem Ende der Rotorwelle 46 befestigt ist und mit einem magnetischen Aufnehmer 76 zusammenarbeitet, der an einer Endwand des Rahmens 52 durch einen Bügel oder dergleichen befestigt ist. Die Rahmenverlängerung 73 trägt auch eine elektrische Verbindung 80 für die Energieversorgung der elektrischen Bauteile der Maschine.
• Weiterhin bezugnehmend auf Fig. 7, Bänder 82 sind umfangsmäßig um die radial äußersten Enden von Beinen 34 der Ankerkernelemente 26 gewickelt. Die Bänder 82 können verwendet werden, um die Ankerkernelemente an ihrem Platz auf dem spulenartigen Halterungsaufbau entweder permanent oder provisorisch, wenn eine andere permanente Befestigungseinrichtung, zum Beispiel Vakuumdruckimprägnierung, verwendet wird, zu befestigen.
• In der Ausführungsform der Fig. 7 sind die radial innersten Enden der Endabschnitte 14' abgeschrägt, wie es bei 84 gezeigt ist, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Wie man am besten in der Endansicht von Fig. 8 erkennt, hat jede Endplatte 14' des spulenartigen Halterungsaufbaues drei gleichbeabstandete radiale Verlängerungen oder Speichen 88 zum Zentrieren der Statoreinheit innerhalb des allgemein zylindrischen Gehäuses 90. Bei der dargestellten sechspoligen Ausführung sind die Verlängerungen 88 voneinander durch zwei Polteilungen getrennt, die gleich 360 elektrischen Graden sind. Diese Anordnung gestattet, daß die Endabschnitte 14' aus dem gleichen leitfähigen Material wie der zentrale Abschnitt des spulenartigen Halterungsaufbaues hergestellt werden.
• Die Statoreinheit wird vorzugsweise in das zylindrische Gehäuse 90 durch Preßpassung eingesetzt. Dies kann durchgeführt werden, indem das Gehäuse so erhitzt wird, daß es sich thermisch ausdehnt, bevor die Statoreinheit eingesetzt wird, und dann das Gehäuse abkühlen gelassen und auf die Preßpassung um die Statoreinheit zurückschrumpfen gelassen wird. Solch ein Aufbau gestattet leichten Zusammenbau und Auseinanderbau der Maschine und auch leichten Zugang zu deren Bauteilen.
• In den hier gezeigten Ausführungsformen hat jeder Rotorflügel 44 eine Bogenlänge, die eine volle magnetische Polteilung überspannt und die Entwicklung der gewünschten Drehmomentcharakteristiken entstehen läßt. Optimal sollte die Bogenlänge eines Rotorflügels kleiner als oder gleich einer einzigen magnetischen Polteilung, jedoch größer als ein Ankerelement sein. Die Rotorflügel und die zugeordneten Einschnitte zwischen ihnen können, wenn es gewünscht wird, die ganze Länge des Rotors durchlaufen. Die hier gezeigten Ausführungsformen illustrieren eine sechspolige Dreiphasen- Konfiguration. Der Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung konstruiert werden kann, um irgendeine Anzahl von Phasen oder irgendeine gleiche Anzahl von Polen zu haben, solange jedes Ende des Rotors halb so viele Flügel hat, wie es Pole gibt, und die Flügel an einem Ende diejenigen an dem anderen Ende widerspiegeln. Es ist wünschenswert, eine niedrige Anzahl von Polen zu verwenden, um in der Lage zu sein, Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei vernünftigen elektrischen Frequenzen zu erzielen.
• Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Erfindung eine einzigartige innen getragene Statoreinheit für die Verwendung bei der Konstruktion einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine vom Induktortyp liefert, die effizienten Hochgeschwindigkeitsbetrieb durchführen kann. Wie zusammengefaßt hier beschrieben ist, erzielt man mit den verschiedenen Bauteilen gemäß der Erfindung all die anfangs beschriebenen Vorteile.

Claims (12)

1. Eine Statoreinheit (4) einer dynamoelektrischen Maschine (2) vom Induktionstyp mit einer Vielzahl stationärer allgemein C-förmiger, sich in Längsrichtung erstreckender Ankerelemente (26), die am Umfang um eine zentrale Längsachse (6) verteilt sind, und mit einer stationären Feldwicklung (22), die zu der Achse (6) konzentrisch ist und sich im Inneren der Ankerelemente (26) befindet, gekennzeichnet durch: gemeinsame Halterungseinrichtungen (10) zum Tragen der Feldwicklung (22) und der Ankerelemente (26) von innen und zum genauen Positionieren der Ankerelemente (26), wobei die Halterungseinrichtungen (10) einen nicht-magnetischen spulenartigen Aufbau mit Endplatten (14) mit Ankerkernpositioniereinrichtungen zum Positionieren der Ankerelemente (26) umfassen.

2. Die Statoreinheit nach Anspruch 1, bei der die Ankerkernpositioniereinrichtungen Nuten (16') in den Endabschnitten (14) für die Aufnahme der Ankerelemente (26) umfassen.

3. Die Statoreinheit nach Anspruch 1, bei der der spulenartige Aufbau einen hohlen langgestreckten Mittelabschnitt (12) aufweist, der Mittelabschnitt (12) ein Wandelement umfaßt, das sich um die und parallel zu der zentralen Längsachse (6) erstreckt und einen Längsdurchgangsweg durch den Mittelabschnitt (12) begrenzt zum Aufnehmen des Einsatzes eines Rotors (40) in diesem Durchgangsweg, der spulenartige Aufbau axial beabstandete Endabschnitte (14) aufweist, die sich radial nach außen relativ zu der Längsachse (6) von jeweiligen Enden des Mittelabschnitts (12) erstrekken, und eine Vielzahl von radial orientierten Nuten (16') jeweils entsprechend an winkelmäßig beabstandeten Stellen um die axial am weitesten außen gelegene Oberfläche von jedem Endabschnitt (14) angeordnet ist;

die Feldwicklung (22) um den Mittelabschnitt (12) des spulenartigen Aufbaus (10) gewunden und für die Verbindung mit einer Gleichstromquelle angepaßt ist; und

die entlang des Umfangs verteilten vielen allgemein C-förmigen, sich in Längsrichtung erstrekkenden Ankerelemente (26) von den Endabschnitten (14) des spulenartigen Aufbaus (10) getragen werden, wobei jedes der-Ankerelemente (26) an seiner Stelle auf den Endabschnitten (14) des spulenartigen Aufbaus (10) derart befestigt ist, daß jedes der Ankerelemente (26) genau axial, radial und umfangsmäßig in Bezug auf die Längsachse (6) positioniert ist,

4. Die Statoreinheit nach Anspruch 3, bei der jedes der Ankerelemente (26) einen Basisabschnitt, der sich allgemein parallel zu der Achse (6) erstreckt, und einen Vorsprung (34) an jedem Ende des Basisabschnitts, der sich allgemein radial nach innen erstreckt, aufweist; und

bei der sich jede Nut (16') in der axial am weitesten außen gelegenen Oberfläche eines Endabschnitts (14) des spulenartigen Aufbaus (10) radial nach innen von einer Schulter (32), die der Nut zugeordnet ist, erstreckt und jede Nut (16') geformt ist, um einen jeweiligen entsprechenden Vorsprung (34) eines Ankerelementes (26) in sich aufzunehmen und zu positionieren, wenn der Basisabschnitt des Ankerelementes (26) auf der Schulter (32), die dieser Nut zugeordnet ist, ruht.

5. Die Statoreinheit nach Anspruch 4, bei der die Nuten (16') in jedem Endabschnitt (14) winkelmäßig so beabstandet sind, daß ein gewünschter Umfangsspalt zwischen den radial am weitesten innen gelegenen Enden (36) des Vorsprungs (34) von benachbarten Ankerelementen (26) aufrechterhalten wird; und

bei der die Schultern (32), die den Nuten zugeordnet sind, so gelegen sind, daß sie die radial am weitesten innen gelegenen Enden (36) von den Ankerelementvorsprüngen (34) in gleichen Abständen von der Längsachse (6) halten.

6. Die Statoreinheit nach Anspruch 5, die weiterhin Befestigungseinrichtungen (57, 59 oder 82) zum Befestigen der Vielzahl der genau positionierten Ankerelemente (26) an den Endabschnitten (14) des spulenartigen Aufbaus (10) umfaßt.

7. Die Statoreinheit nach Anspruch 6, bei der jeder dieser Endabschnitte (14) des spulenartigen Aufbaus (10) außerdem mit einer Vielzahl radial angeordneter Polschafteinrichtungen (88) versehen ist, die sich bis jenseits der Schultern (32) erstrecken, zum genauen Positionieren der Statoreinheit (4) innerhalb eines Gehäuses (90).

8. Die Statoreinheit nach Anspruch 7, bei der das Wandelement des Mittelabschnitts (12) des spulenartigen Aufbaus (10) aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt ist und wirkt, um mit der Zeit variierenden Fluß innerhalb des Rotors (40) zu unterdrücken.

9. Die Statoreinheit nach Anspruch 5, bei der das Wandelement des Mittelabschnitts (12) des spulenartigen Aufbaus (10) Kühlungsöffnungen (20) enthält, die sich durch dieses hindurcherstrekken, zum Verbinden des Durchgangswegs mit dem Äußeren des Mittelabschnitts (12) des spulenartigen Aufbaus (10).

10. Die Statoreinheit nach Anspruch 9, bei der die Kühlungsöffnungen (20) einen Satz von umfangsmäßig beabstandeten gewölbten Öffnungen umfassen, die nahe jedes Endes des Mittelabschnitts (12) des spulenartigen Aufbaus (10) gelegen sind und ihm zugeordnet sind.

11. Die Statoreinheit nach Anspruch 10 in Kombination mit einem Rotor (40), der koaxial und drehbar in dem Durchgangsweg angebracht ist, wobei der Rotor (40) wenigstens zwei umfangsmäßig beabstandete Einschnitte (42) in sich aufweist, die sich axial von jedem Ende des Rotors wenigstens zu einer Stelle erstrecken, die gleichzeitig mit der axial am weitesten innen gelegenen Kante der Kühlungsöffnungen (20), die dem entsprechenden Ende (14) des Mittelabschnitts (12) des spulenartigen Aufbaus (10) zugeordnet sind, endet, wodurch der Rotor beim Drehen dient, um Kühlfluid (56) zentrifugal nach außen durch diese Kühlöffnungen (20) herauszudrücken.

12. Die Statoreinheit nach Anspruch 11, die außerdem umfaßt

Rotorpositionskodiereinrichtungen (54 oder 74) zum Liefern eines Rotorpositions-Feedback-Signals, zum Erleichtern synchroner Rotordrehung; eine Rahmeneinrichtung (52) zum Einschließen der Statoreinheit (4) und

Rotorbefestigungseinrichtungen (50,70 oder 72), die mit der Rahmeneinrichtung (52) für eine drehfähige Befestigung des Rotors (40) derart verbunden sind, daß sich der Rotor (40) koaxial durch den Durchgangsweg erstreckt.