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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein drehende elektrische Maschinen,
für den
Motorbetrieb ebenso wie für
den Generatorbetrieb, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum
Optimieren der Leistungsausnutzung von elektrischen Maschinen, wie
in dem Oberbegriff des begleitenden Anspruchs 1 angegeben, eine
drehende elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des begleitenden
Anspruchs 6, eine Verwendung einer solchen Maschine gemäß Anspruch
24 und einen Rotor für
eine solche drehende elektrische Maschine und gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 16.
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Hintergrund
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Die
Entwicklung in diesem Bereich ist derzeit auf eine noch höhere Aus-
bzw. Abgabe in Bezug auf Leistung und Drehmoment gerichtet, für vorgegebene
Maschinengrößen. Dies
bedeutet, dass Hersteller solcher Maschinen gezwungen sind, primär durch den
derzeitigen heftigen Preiskampf, die Leistung der Maschinen zu erhöhen, so
dass kleinere Maschinen, die weniger kostenintensiv herzustellen
sind, für
einen gegebenen Bereich der Leistungsabgabe verwendet werden können.
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In
auf herkömmliche
Weise ausgelegten Maschinen hat eine solche Entwicklung hin zu Maschinen
mit höherer
und höherer
Leistungsausnutzung, das heißt
einer erhöhten
Abgabe von Leistung und Drehmoment, zu vergrößerten Abmessungen für die Rotorwindungsleiter
und zu den damit zusammenhängenden
vergrößerten Abmessungen
für die
Rotorwindungsrillen geführt,
insbesondere in Bezug auf die radiale Tiefe der Rillen. In einem
großen
Maß hängt dies
von der Tatsache ab, dass in solchen Maschinen es nicht möglich war,
eine Kühlung
zu erreichen, die so wirksam ist, dass die Größe der Rotorwindungsrillen
niedrig gehalten werden kann.
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Um
dies zu verdeutlichen kann erwähnt
werden, dass in Gleichstrommaschinen die herkömmliche Kühlung auf axialen Kühlkanälen
5,
6 basiert,
die entsprechend einer standardisierten Lochkonfiguration in dem
Rotor
1 bereitgestellt sind, d.h. so wie es in der angefügten
1 dargestellt
ist. In dem normalen Fall wird die gesamte Lochkonfiguration für alle der
verschiedenen Zahlen von Windungsrillen
4 eingesetzt, die
für einen
gegebenen Motordurchmesser in einer betreffenden Serie von Motoren
verwendet werden. Dadurch ist die Zahl von Kühllöchern oder -Kanälen, die
in dem gleichen radialen Abstand von dem Mittelpunkt C der Welle
angeordnet sind, normalerweise gleich einem ganzzahligen Vielfachen
der Polzahl der Maschine, wie in
4 und
5 von CH660263
gezeigt ist, um einen vergleichsweise konstanten summierten Fluss
in dem magnetischen Kreislauf durch den Rotor bereitzustellen, ungeachtet der
Polarstellung des Rotors. Auf eine andere Art ausgedrückt, die
Zahl der äußeren Kühlkanäle ebenso
wie die Zahl der inneren Kühlkanäle ist ein
ganzzahliges Vielfaches der Polzahl. Da die Zahl von Windungsrillen
variiert und normalerweise nicht durch die Polzahl teilbar ist,
werden die Entfernungen zwischen den Rotorwindungsrillen und den
Rotorkühlkanälen nicht überall auf
dem Umfang des Rotors gleich sein. Dies wiederum führt zu der
Tatsache, dass der magnetische Kreislauf eine ungleichmäßige Flussverteilung
an den jeweiligen Windungsrillen auf dem Umfang des Rotors aufweisen
wird. Um die negativen Effekte davon auf die elektrischen Eigenschaften der
Maschine zu minimieren, müssen
die Entfernungen zwischen den Windungsrillen und den Kühlkanälen vergleichsweise
groß ausgelegt
werden, wie in
1 von
DE 4443427 gezeigt, mit der damit
einhergehenden schlechten Kühlung
und stark begrenzten Leistungs- und Drehmomentabgabe.
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Um
die Leistungs- und Drehmomentabgabe von einer solchen Gleichstrommaschine
zu erhöhen, die
eine herkömmliche
Kühlloch-Konfiguration
in dem Rotor aufweist, müssen
gemäß dem Vorstehenden
die Rotorleiterfläche
und dadurch die Abmessungen der Windungsrillen vergrößert werden,
wie vorstehend angegeben. Gleichzeitig müssen die Entfernungen zwischen
den Windungsrillen und den Kühlkanälen kleiner
gestaltet werden. Aufgrund des vorstehend beschriebenen ungleichmäßigen Flusses verschlechtern
diese Maßnahmen
jedoch die elektrischen Eigenschaften der Maschine, was insbesondere
zu einer deutlich verringerten Kollektorfähigkeit bei hohen Leistungsabgaben
führt.
Dadurch ist es nicht unüblich,
dass drehende elektrische Gleichstrommaschinen mit einer herkömmlichen
Kühlung durch
solchen deutlich erhöhten
elektrischen Belastung oder Beanspruchung beschädigt werden, so dass die Kontaktfunktion
zwischen der Bürste
und dem Kollektor eine obere Grenze erreicht. In der Abwesenheit
irgendeiner Begrenzung für
diese Kontaktfunktion wird der Gleichstrommotor sehr empfindlich für äußere Störung.
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Um
zusammenzufassen, es kann daher konstatiert werden, dass die herkömmliche
Auslegung mit den vorstehend besprochenen Einschränkungen für sich genommen
gut funktioniert hat. Jedoch basiert sie auf dem unglücklichen
Kompromiss zwischen einerseits dem Wunsch, eine wirksame Kühlung zu
erreichen, und andererseits dem Ziel, eine Maschine mit guten elektrischen
Eigenschaften bereitzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Im
Lichte der vorstehenden Erläuterung
ist eine Grundaufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum
Kombinieren hoher Leistung in einer drehenden elektrischen Maschine
mit einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften davon bereitzustellen.
Anders ausgedrückt,
das Ziel ist es, die Notwendigkeit eines Kompromisses zwischen wirksamer Kühlung und
guten elektrischen Eigenschaften zu beseitigen. Um genau zu sein
wird diese Aufgabe insbesondere für eine Gleichstrommaschine
erhalten, indem breite schwarze Bereiche („black bands") bereitgestellt
werden, das heißt
eine niedrige Kollektorbelastung für die elektrische Maschine,
um dadurch einen funktional stabilen Betrieb mit niedriger Wartung
zu erhalten.
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Die
Erfindung basiert auf dem Verständnis, dass
die Notwendigkeit für
den Kompromiss beseitigt werden kann und dass stattdessen die Kühlung und die
elektrischen Eigenschaften beide gleichzeitig optimiert werden können, indem
eine Symmetrie in dem magnetischen Kreislauf des Motors erzeugt
wird. Gemäß der Erfindung
wird dies erreicht, indem zumindest die hauptsächlich wirksamen äußeren axialen Kühlkanäle in dem
Rotor der Maschine in Bezug auf die magnetischen Flusspfade in dem
Rotor im Wesentlichen symmetrisch bereitgestellt werden. Dadurch
wird eine symmetrische Auslegung des magnetischen Kreislaufs der
Maschine erhalten, wodurch eine gute elektromechanische Moforfunktion
mit für eine
Gleichstrommaschine niedriger Wartung von Bürsten und Kollektor erhalten
wird. Gleichzeitig können
breite Nebenschluss(shunt)-Bereiche erhalten werden, ohne Verringerung
der nominalen Abgabe.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die symmetrische Auslegung des magnetischen Kreislaufs
gemäß der grundlegenden
Aufgabe der Erfindung mit der Bereitstellung einer großen Anzahl von äußeren Kühlkanälen in dem
Rotor kombiniert, die nahe den Rotorwindungsrillen angeordnet sind, das
heißt
in einer großen
radialen Entfernung von dem Mittelpunkt der Rotorwelle. Durch das
Kombinieren der Symmetrie des magnetischen Kreislaufs und der großen Anzahl
von äußeren Kühlkanälen wird
eine sehr gute Möglichkeit
bereitgestellt, die Leistungsausnutzung einer drehenden elektrischen Maschine
zu verbessern. Diese Verbesserung wird insbesondere erreicht durch
die Tatsache, dass die guten elektrischen Eigenschaften gemäß der grundlegenden
Aufgabe der Erfindung aufrechterhalten und sogar weiter verbessert
werden können
durch die erhöhte
Kühlkapazität, die wiederum
gestattet, die Größe der Windungsrillen
zu verringern. Durch die symmetrische Anordnung der Kühlkanäle können sie
in einer großen
Anzahl bereitgestellt werden und gleichzeitig können sie nahe zu den Windungsrillen versetzt
werden und dadurch nahe der Quelle des Leistungsverlusts in der
Form von Widerstandsverlust in Rotorleitern in Rotorwindungsrillen
und magnetischem oder Eisenverlust in Rotorrillenzähnen.
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Gemäß weiterer
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung werden die äußeren Kühlkanäle in einer
Anzahl bereitgestellt, die der Hälfte
der Anzahl der Rotorwindungsrillen entspricht, wenn die letztere
gerade ist, oder alternativ in einer Anzahl, die ein ganzzahliges
Vielfaches der Anzahl der Rotorwindungsrillen ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden
die Kühlkanäle mit einer
vergrößerten inneren
umfänglichen
bzw. peripheren Oberfläche und/oder
Querschnittfläche
bereitgestellt. Dies wird teilweise dadurch erhalten, dass die Kühlkanäle von dem
Mittelpunkt der Welle der Maschine weiter außen angeordnet werden, was
ermöglicht,
dass die Kühlkanäle eine
größere Querschnittsfläche aufweisen,
und teilweise dadurch, dass den Kühlkanälen eine lang gestreckte Form
verliehen wird, wie in der radialen Richtung gesehen, und/oder,
indem sie mit einer profilierten, zum Beispiel polygonalen oder
wellenartigen Oberfläche
gebildet werden.
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Hierdurch
wird eine weiter verbesserte Kühlkapazität erhalten,
was erlaubt, die Stromdichte in der Rotorwindung zu erhöhen. Dies
wiederum trägt weiter
zu der Verringerung der Abmessungen der Rotorwindungsrillen bei.
Für eine
Gleichstrommaschine bedeutet dies, dass der Kollektorbeanspruchung
verringert werden kann.
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Andere
Vorteile, die durch die Erfindung erhalten werden sind, dass der
Temperaturgradient radial durch die Rotorplatte verringert werden
kann. Dies bedeutet, dass, verglichen mit Platten mit einer herkömmlichen
Kühlkonfiguration,
größere Rotorplatten
kalt auf die Rotorwelle gepresst werden können, da das Wellenloch der
Rotorplatte sich im Zustand der Betriebsbedingung nicht so stark
ausdehnt, dass der Zusammenhalt zwischen der Welle und der Rotorplatte
verloren geht. In diesen Ausführungsformen
sind die Kühloberflächen vergrößert und
näher an
der Wärmequelle/Leistungsverlustquelle
bereitgestellt, was bedeutet, dass Temperaturspitzen in den Windungsrillen
bei zeitweiligen Überlastungen
verringert werden können.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine drehende elektrische
Maschine bereitgestellt, welcher die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung einsetzt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer drehenden
elektrischen Maschine, die gemäß den grundlegenden
Prinzipien der Erfindung ausgelegt ist, für einen Motorbetrieb.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und
in der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
davon angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Erfindung kann zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon
am besten verstanden werden, indem auf die folgende Beschreibung
zusammen mit der begleitenden Zeichnung Bezug genommen wird, in
welcher:
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1 sehr
schematisch eine teilweise Aufsicht einer Rotorplatte einer drehenden
elektrischen Maschine darstellt, wobei die Rotorplatte mit einer Kühlloch-Konfiguration
gemäß dem Stand
der Technik versehen ist;
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2 in
einer Ansicht entsprechend der von 1 eine erste
Ausführungsform
einer Kühlloch-Konfiguration gemäß der Erfindung
darstellt;
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3 eine
alternative Ausführungsform
der Kühlloch-Konfiguration
gemäß der Erfindung
darstellt;
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4–7 weitere
Varianten der erfindungsgemäßen Kühlloch-Konfiguration
darstellen;
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8 ein
Diagramm ist, welches Unterschiede in dem Feldabschwächungsbereich
für Gleichstrommotoren
und eine Maschine gemäß der Erfindung
darstellt;
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9 ein
Diagramm ist, welches Unterschiede in „black bands" zwischen herkömmlich ausgelegten
Gleichstrommotoren und einer Maschine gemäß der Erfindung darstellt;
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10 eine
weitere alternative Ausführungsform
der Kühlloch-Konfiguration
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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11a–c Beispiele
von alternativen Ausführungsformen
von Kühlkanälen darstellen.
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Detaillierte
Beschreibung
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Im
Wesentlichen Bezug nehmend auf 1–3 sollen
die grundlegenden Prinzipien der Erfindung nun mit der Hilfe zweier
Ausführungsformen
(2-3) der Anwendung davon auf Gleichstrommaschinen
beschrieben werden. Gleichzeitig sollen die Unterschiede im Vergleich
mit herkömmlich
ausgelegten Gleichstrommaschinen (1) beschrieben
werden. In allen diesen Figuren, ebenso wie in den 4–7 und 10 ist
die Erfindung durch einen sehr schematisch gezeigten radialen Abschnitt
einer Rotorplatte in einem laminierten Rotor einer Gleichstrommaschine
dargestellt. Es wird verstanden, dass die Rotorplatten eines Plattenstapels
mit der gleichen Kühlloch-Konfiguration bereitgestellt
sind und wobei die Kühllöcher miteinander
ausgerichtet sind, um axiale Kühlmittelkanäle zu bilden.
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Wie
in der Einleitung angegeben, ist die grundlegende Aufgabe der Erfindung,
eine Symmetrie in dem magnetischen Kreislauf der elektrischen Maschine
bereitzustellen. In der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung (dargestellt in 2) wird
dies erreicht, indem die Kühlkanäle 15 der
Rotorplatte 10, die hauptsächlich daran beteiligt sind,
die Maschine zu kühlen,
in Bezug auf die Rotorwindungsrillen 14 symmetrisch bereitgestellt
werden. Es soll in diesem Zusammenhang erläutert werden, dass die Kühlkanäle 15,
die hauptsächlich
daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, die äußeren Kühlkanäle sind, das heißt die,
welche am nächsten an
den Rotorwindungsrillen 14 angeordnet sind. Um die Aufgabe
der Erfindung zu erreichen, ist es daher wesentlich, dass insbesondere
die Kühlkanäle 15, die
hauptsächlich
an der Kühlung
beteiligt sind, symmetrisch angeordnet sind. Demzufolge deckt die
Erfindung ebenso Ausführungsformen
ab, bei denen andere Kühlkanäle, die
für die
Kühlung
von sekundärer
Bedeutung sind, in einer nicht-symmetrischen Weise angeordnet sind,
in einer kleineren radialen Entfernung von dem Mittelpunkt C der
Rotorwelle 12 und/oder mit einem anderen Abstand oder einer
anderen Beabstandung als die Hauptkühlkanäle 15 angeordnet sind.
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Um
die Symmetrie zu erreichen, die gemäß der Erfindung bereitgestellt
wird, werden die Kühlkanäle 15,
in der in 2 dargestellten Ausführungsform,
in einer Anzahl bereitgestellt, die der Anzahl von Rotorwindungsrillen 14 entspricht,
und daher der Anzahl der Rillenzähne 13 entspricht.
Dies ermöglicht
eine Symmetrie, je nachdem, ob die Anzahl der Rotorwindungsrillen 14 ungerade
oder gerade ist.
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Mit
der Kühlloch-Konfiguration,
die gemäß der Erfindung
ausgelegt ist, können
die Kühlkanäle in einer
größeren Zahl,
verglichen mit der herkömmlichen
Technik, bereitgestellt werden, und sie können weiter außen von
dem Mittelpunkt C der Rotorwelle 12 angeordnet werden,
was aus sich selbst heraus den Raum für größere Kühlkanäle bereitstellt. Durch die
vergrößerte Oberfläche einerseits,
und durch das Anordnen näher
an der Quelle des Leistungsverlusts, das heißt der Wärmequelle, können andererseits
die Kühlkanäle daher
eine wesentliche verbesserte Kühlung
bereitstellen, ohne die elektrischen Eigenschaften zu stören oder
zu verschlechtern.
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In
der Ausführungsform
von 2 sind die Kühlkanäle 15 mit
einer radial lang gestreckten Form gebildet, um eine weiter erhöhte Kühloberfläche bereitzustellen.
Jedoch kann die Vergrößerung der Oberfläche auch
auf andere Arten erhalten werden, wie es in 11b und 11c mittels
der darin dargestellten polygonalen und wellenartigen Formen der inneren
Oberfläche
der Kühlkanäle beispielhaft
darin gezeigt ist.
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Im
Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die herkömmliche
gelochte bzw. gestanzte Rotorplatte 1, die in 1 dargestellt
ist, vergleichsweise wenige äußere Kühlkanäle 5 auf,
die vergleichsweise weit von den Rotorwindungsrillen 14 und
den Rillenzähnen 3,
die dazwischen liegen, entfernt angeordnet sind. Weiterhin ist eine
Anordnung von inneren Kühlkanälen 6 in
einer kleineren Entfernung von dem Mittelpunkt C der Rotorwelle
bereitgestellt.
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Die
in 1 dargestellt Kühlloch-Konfiguration ist herkömmlich in
derzeitigen Gleichstrommotoren, die wie erwähnt normalerweise mit der gleichen standardisierten
Lochkonfiguration für
alle die verschiedenen Anzahlen von Rotorwindungsrillen gebildet
sind, die für
einen gegebenen Motordurchmesser in einer bestimmten Serie von Motoren
verwendet werden. In dem normalen Fall sind die Anzahl der äußeren Kühllöcher 5 ebenso
wie die Anzahl der inneren Kühllöcher 6 beide
ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Polen der Maschine. Der
Zweck davon ist es, einen vergleichsweise konstanten summierten
Fluss in dem magnetischen Kreislauf durch den Rotor bereitzustellen,
ungeachtet der Polarstellung des Rotors. Dies bedeutet, dass die
Anzahl der äußeren Kühlkanäle 5 ebenso
wie die Anzahl der inneren Kühlkanäle beide
ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Pole sind. Als Folge
davon werden die Entfernungen zwischen den Rotorwindungsrillen 4 und
den Rotorkühlkanälen 5, 6 nirgendwo
auf dem Umfang des Rotors gleich sein. Wie vorstehend erwähnt wurde,
muss, um eine ungleichmäßige Flussverteilung
in Gleichstrommaschinen mit einer herkömmliche Kühlloch-Konfiguration zu vermeiden, dafür gesorgt
werden, dass die Entfernung zwischen den Rotorwindungsrillen 4 und
den Kühlkanälen 5, 6 vergleichsweise
groß ist,
mit der damit einhergehenden schlechten Kühlung und beschränkten Abgabe von
Leistung und Drehmoment.
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Die
Verbesserungen in der Form verbesserter elektrischer Eigenschaften,
die mittels der Prinzipien der Erfindung erreicht werden, sind deutlicher
in 8 und 9 dargestellt. 8 stellt
einen Vergleich zwischen der Leistung eines Gleichstrommotors, der
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist (Kurve A) und eines Gleichstrommotors
dar, der gemäß der herkömmlichen Technik
hergestellt wurde (Kurve B). 9 stellt
einen Vergleich der „black bands" eines Gleichstrommotors,
der gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist (Kurve A) und eines Gleichstrommotors
der herkömmlichen
Auslegung dar (Kurve B).
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Einleitend
sollte erwähnt
werden, dass mit Bezug auf 8 allgemein
hohe Kollektorbeanspruchungen die Möglichkeit deutlich beschränken, eine Drehzahlsteuerung
für Gleichstrommotoren
durch „Feldabschwächung" bereitzustellen,
und dass, wenn ein breiterer Feldabschwächungsbereich für einen
Gleichstrommotor mit hoher Kollektorbeanspruchung erforderlich ist,
die nominale Leistung verringert werden muss. Dies bedeutet, dass
der Motor eine höhere
ursprüngliche
nominale Leistung aufweisen muss als ein Motor mit einer solch niedrigen
Kollektorbeanspruchung, dass seine Abgabe nicht verringert werden
muss, um eine Drehzahlsteuerung durch Feldabschwächung bereitzustellen.
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8 stellt
insbesondere die Unterschiede in dem Feldabschwächungsbereich des herkömmlichen
Motors mit hoher Kollektorbeanspruchung gemäß Kurve B dar, verglichen mit
einem Motor gemäß der Erfindung
mit niedriger Kollektorbeanspruchung. Es sind tatsächlich Gleichstrommotoren
auf dem Markt erhältlich,
die eine vergleichsweise hohe Leistung in Bezug auf die Größe des Motors
aufweisen, aber in den meisten Fällen
sind diese Motoren durch einen kleinen Nebenschluss-Bereich entsprechend 8 gekennzeichnet.
Nur eine kleine Anzahl von Gleichstrommotoren, die auf dem Markt
erhältlich sind,
zeigen Feldabschwächungsbereiche
wie den von Kurve A, für
den Motor gemäß der Erfindung, aber
in solchen Fällen
haben sie üblicherweise
eine wesentlich niedrigere Leistung in Bezug auf die Größe des Motors.
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Einerseits
ist ein unterscheidendes Merkmal eines Gleichstrommotors, der gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgelegt ist, dass eine sehr hohe nominale
Abgabe und sehr hohes Drehmoment bei nominaler Belastung entnommen
werden können,
wobei gleichzeitig der Feldabschwächungsbereich, das heißt der Drehzahlbereich
mit konstanter Leistung, breit ist.
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Für Gleichstrommotoren
mit Drehzahlsteuerung durch Spannungsteuerung oder Gleichstrommotoren,
die mit einer vergleichsweise konstanten Drehzahl betrieben werden
ist eine niedrige Kollektorbeanspruchung ebenso wünschenswert,
da dies eine grundlegende Bedingung zum Erhalten eines funktional
stabilen Betriebs mit niedriger Wartung ist. Mit einer herkömmlichen
Auslegung und bei hoher Leistung sind häufig kleine, schmale „black
bands" die Folge,
das heißt
die Folge ist ein kleiner Bereich innerhalb dessen der Gleichstrommotor
funkenlos arbeitet, wenn eine bestimmte Störung in der Form eines angelegten
oder abgegriffenen Stroms (Verstärkung
(Boost), in entgegengesetzter Richtung wirken „Buck", siehe 9) über den
Kollektorkreislauf eingeleitet wird. In Verbindung mit hoher Leistungsausnutzung
kann es sogar zu der Situation kommen, in der die „black
bands" nahezu verschwinden.
Es wurde vorstehend erwähnt,
dass die Kurve B in 9 insbesondere typische „black
bands" für einen
solchen herkömmlichen
Gleichstrommotor darstellt und diese sollten mit der Kurve E verglichen
werden, welche die "black
bands" zeigt, die
für einen
funktional stabilen Betrieb mit niedriger Wartung erforderlich sind.
Die „black
bands" gemäß der Kurve
B sind ausreichend, um einen funkenlosen Betrieb in einer Laborumgebung
zu erhalten, aber ein höheres
Niveau gemäß der Kurve
E ist erforderlich, um Funkenbildung oder Überschlag im praktischen Betrieb
zu verhindern, wo eine Störung
in der Form von Stromwelligkeit, Umgebungseinfluss auf die Patina,
mechanische Vibration von dem Betrieb etc. hinzugefügt werden.
Anderenfalls wird Funkenbildung auftreten, was Abnutzung sowohl
auf Bürsten
und Kollektor bewirken wird, und daher erhöhte Wartung erfordert.
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Im
Gegensatz sind stabile und breite „black bands" innerhalb des gesamten
Betriebsbereichs eine Eigenschaft von drehenden elektrischen Motoren,
die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Dies ist in der Kurve
A dargestellt, und es ist deutlich ersichtlich, dass die „black bands" eindeutig besser
sind bei dem Motor gemäß der Erfindung
als bei dem herkömmlichen
Motor. Dies trifft auch zu, selbst wenn der herkömmliche Motor nur mit einer
kompensierenden Windung in dem Stator versehen würde, mit den damit zusammenhängenden
zusätzlichen
Kosten. Um zusammenzufassen, die breiten „black bands", die mit einem drehenden
elektrischen Gleichstrommotor erhalten werden, der gemäß den Prinzipien
der Erfindung ausgelegt worden ist, stellen die folgenden Vorteile
in Bezug auf einen typischen herkömmlichen Gleichstrommotor dar:
- – Beseitigte
Funkenbildung und dadurch verringerte Bürstenabnutzung, verringerte
Kollektorabnutzung und verringerte Notwendigkeit des Reinigens von
Kohlenstaub, der durch Bürstenabnutzung
verursacht wird
- – verringerte
Notwendigkeit für
eine Inspektion während
dem Betrieb
- – erhöhte Verfügbarkeit
durch erweiterte Intervalle zwischen Abschaltungen für Wartung
und Kundendienst
- – erhöhte Fähigkeit,
zusätzlicher
Störung
in der Form von „black
band"-Verringerung
zu widerstehen, die durch das Strompulsieren des Umwandlers, Welligkeit,
sowohl in der Armaturschaltung als auch in der Feldschaltung bewirkt
wird
- – erhöhte Fähigkeit,
zusätzlicher
Störung
in der Form von „black
band"-Verringerung
zu widerstehen, die durch mechanische Vibration hervorgerufen wird
- – macht
es möglich,
einen funkenlosen Betrieb aufrechtzuerhalten, auch in dem Falle,
wo Bürsten
mit niedrigeren „black
bands" verwendet
werden müssen,
als Folge von derzeitigen Betriebsbedingungen.
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3 stellt
eine alternative Ausführungsform der
Kühlloch-Konfiguration
gemäß der Erfindung
dar, wobei die äußeren Kühlkanäle 25 in
diesem Fall in der gleichen radialen Entfernung von dem Mittelpunkt
C der Rotorwelle 22 und in einer Anzahl bereitgestellt
werden, die der Hälfte
der Anzahl der Rotorwindungsrillen 24 entspricht. In diesem
Falle stellt das Anordnen der Kühlkanäle auf einem
Radius, der mittig durch jeden anderen Rillenzahn 23 geht,
die Symmetrie in Bezug auf die Flusspfade bereit.
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4–7 stellen
weitere alternative Ausführungsformen
der Kühlloch-Konfiguration
gemäß der Erfindung
dar, wobei die Ausführungsform
gemäß 4 der
von 2 entspricht, in der Hinsicht, dass die äußeren Kühlkanäle 35 in
einer Anzahl bereitgestellt sind, die der Anzahl von Rotorwindungsrillen 34 entspricht,
wenn die Anzahl der Rillen entweder gerade oder ungerade ist. Jedoch
sind die äußeren Kühlkanäle 35 in
Bezug darauf versetzt, so dass sie auf einem Radius von dem Mittelpunkt
C der Rotorwelle 32 und durch die Mitte jedes Rillenzahns 33 angeordnet
sind.
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Die
Ausführungsform
gemäß 5 entspricht
der von 3, in der Hinsicht, dass auch
hier die Anzahl der Kühlkanäle 45 der
Hälfte
der Anzahl der Rotorwindungsrillen 44 in der Rotorplatte 40 entspricht.
Der Unterschied ist, dass die Kühlkanäle 45 hier
auf einem Radius von dem Mittelpunkt C der Rotorwelle 42 durch
die Mitte jeder Rotorwindungsrille 44 angeordnet sind.
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Gemäß den Prinzipien
der Erfindung kann die Anzahl der Kühlkanäle ein anderes ganzzahliges Vielfaches
der Anzahl der Rotorwindungsrillen, zum Beispiel drei, vier, fünf, sechs
und so weiter mal der Anzahl der Rotorwindungsrillen sein, und dies
ist allgemein in den 6 und 7 dargestellt.
Die Figuren stellen zwei verschiedene Ausführungsformen mit der doppelten
Anzahl von Kühlkanälen wie
der Anzahl der Rotorwindungsrillen dar, wobei die Kühlkanäle aber
entweder in einer Reihe mit jeder Rotorwindungsrille und in Reihe
mit jedem Rillenzahn (6), oder mit einem Kühlkanal
angeordnet sind, der an jedem Übergang
von einer Rille zu einem Rillenzahn bereitgestellt.
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In
den Ausführungsformen
der Erfindung, die in den 2–7 dargestellt
sind, sind diese äußeren Kühlkanäle 15 der
Rotorplatte 10, die hauptsächlich an der Kühlung beteiligt
sind, und die am nächsten
zu den Rotorwindungsrillen angeordnet sind, alle in der gleichen
radialen Entfernung von dem Mittelpunkt der Rotorwelle bereitgestellt.
Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Auslegung beschränkt. Um
dies zu erläutern
zeigt 10 eine Ausführungsform, in der die Kühlkanäle 85, 85', die in diesem
Beispiel in der gleichen Weise wie die in 4 in Bezug auf
deren Anzahl und Polarposition bzw. -Stellung bereitgestellt sind,
in Bezug auf einander in der radialen Richtung des Rotors verschoben
bereitgestellt sind. Anders ausgedrückt, sie sind in zwei unterschiedlichen
radialen Entfernungen R1 und R2 von dem
Mittelpunkt der Rotorwelle bereitgestellt. In dieser Beschreibung
werden diese Entfernungen beginnend von dem Punkt auf der Wand des
Kühlkanals berechnet,
die am nächsten
zu dem äußeren Umfang der
Rotorplatte liegt.
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Es
soll betont werden, dass die Prinzipien der Ausführungsform in 10 ebenso
auf Auslegungen angewendet werden können, bei denen die Anzahl
und Polarposition der Kühlkanäle denen
gemäß irgendeiner
der anderen Ausführungsformen von 2, 3, 5, 6 oder 7 entsprechen
und/oder bei denen sie von einer anderen Form sind, als in den 2–7 dargestellt,
und zum Beispiel denen von 11a–c entsprechen.
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Daher
stellt die Ausführungsform
von 10 allgemein beispielhaft dar, dass gemäß der Erfindung die
Ausdrücke „äußere Kühlkanäle, die
hauptsächlich
beteiligt sind" oder „Kühlkanäle am nächsten zu den
Rotorwindungsrillen" alle
Kühlkanäle umfassen, die
zwischen den zwei Radien R1 und R2 angeordnet sind, wenn diese in dem Bereich
R2 – R1 ≤ 8+D*0,03 liegen,
wobei R2 und R1 die
Radien von dem Mittelpunkt C der Welle in mm angeben und D der Durchmesser der
Rotorplatte in mm ist, und wobei R2 immer
der größere der
zwei Radien ist.
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Besonders
in den Fällen,
in denen hohe Anforderungen an die Kühlung des Rotors gestellt werden,
ist es besonders vorteilhaft, wenn alle „äußeren Kühlkanäle, die hauptsächlich beteiligt
sind" oder „Kühlkanäle am nächsten zu
den Rotorwindungsrillen" in
einer Variante der Ausführungsform
von 10 zwischen den zwei Radien R2 und
R1 angeordnet sind, wenn diese in dem schmaleren
Bereich R2 – R1 ≤ 5+D*0,02
mm liegen.
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Eine
andere Variante der Erfindung ist in 11a dargestellt,
wobei die separaten äußeren Kühlkanäle von 2-7 durch
eine Gruppe von Kühlkanälen 55 ersetzt
worden sind, von denen jeder asymmetrisch angeordnet sein kann,
die aber, wenn sie als eine Gruppe angesehen werden, in die grundlegende
erfindungsgemäße Idee
fallen. In dieser Figur ist eine Gruppe 55 dargestellt,
die aus drei Kanälen
besteht, aber die Anzahl kann von zwei aufwärts betragen, wobei die obere
Grenze durch praktische Einschränkungen
bestimmt wird.
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In
den Ausführungsformen
von 2–7 sind
die separaten Kühlkanäle mit einer
radial lang gestreckten Form dargestellt, zusätzlich zu der Oberflächenvergrößerung,
die durch das Anordnen in einer vergleichsweise großen radialen
Entfernung von dem Mittelpunkt der Rotorwelle erhalten wird. 11b und 11c stellen
alternative Ausführungsformen
zum Erhalten dieser weiteren Oberflächenvergrößerung dar, indem eine polygonale
Form, der Kühlkanal 65 gemäß 11b, oder eine wellenartige Form, der Kühlkanal
von 75 11c, für die innere Randoberfläche der äußeren Kühlkanäle bereitgestellt
wird. Es ist ersichtlich, dass die Erfindung ebenso andere als die
speziell dargestellten Formen abdeckt.
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Die
Erfindung wird derzeit so angesehen, als dass ihr hauptsächlicher
Anwendungsbereich in der Verbindung mit einer Maschine besteht,
die für
den Motorbetrieb vorgesehen ist, und für die das Ziel eine hohe Leistung
und gleichzeitig ein Minimum an Wartung für Bürsten und Kollektor und/oder
ein breiter Bereich von Drehzahlen ist.
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Eine
weitere Variante, nicht in der Zeichnung dargestellt, die unter
die grundlegenden Prinzipien der Erfindung fällt, ist eine Auslegung, bei
der die äußeren Kühlkanäle im Bezug
auf die Rotorwindungsrillen asymmetrisch angeordnet sind, angepasst
an spezielle Anwendungen, zum Bereitstellen oder Kompensieren verschiedener
elektromagnetischer Eigenschaften in verschiedenen Rotationsrichtungen.
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Weiterhin
soll betont werden, dass, auch wenn die Erfindung in der vorstehenden
Beschreibung mit speziellem Bezug auf eine Anwendung ihrer Prinzipien
in einer Gleichstrommaschine erklärt worden ist, sie ebenso eine
Anwendung in Wechselstrommaschinen abdeckt. Ein Beispiel einer solchen Verwendung
der Erfindung sind asynchrone Maschinen, und spezieller bevorzugt
in solchen Maschinen, die eine erzwungene Kühlung aufweisen. In Wechselstrommaschinen
können
die erfinderischen Prinzipien für
eine ausschließlich
axiale Kühlung
eingesetzt werden, ebenso wie in Kombination mit herkömmlichen
radialen Kühlkanälen. Die
Erfindung soll daher solche Anwendungen ebenso umfassen.
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Es
wird von den Fachleuten verstanden werden, dass vielfältige Modifikationen
und Veränderungen
an der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne den Schutzumfang
davon zu verlassen, der durch die angefügten Ansprüche definiert wird.