DE60014199T2

DE60014199T2 - Elektrische Drehmaschine

Info

Publication number: DE60014199T2
Application number: DE2000614199
Authority: DE
Inventors: Christer Söderberg
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-01-18
Also published as: SE9900621L; EP1024580B1; SE9900621D0; SE521616C2; EP1024580A2; DE60014199D1; EP1024580A3

Description

Technisches Gebiet
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.
Hintergrund
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine drehende elektrische Maschine bereitgestellt, welcher die Prinzipien der vorliegenden Erfindung einsetzt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer drehenden elektrischen Maschine, die gemäß den grundlegenden Prinzipien der Erfindung ausgelegt ist, für einen Motorbetrieb.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen davon angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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:
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;
2 in einer Ansicht entsprechend der von 1 eine erste Ausführungsform einer Kühlloch-Konfiguration gemäß der Erfindung darstellt;
3 eine alternative Ausführungsform der Kühlloch-Konfiguration gemäß der Erfindung darstellt;
4–7 weitere Varianten der erfindungsgemäßen Kühlloch-Konfiguration darstellen;
8 ein Diagramm ist, welches Unterschiede in dem Feldabschwächungsbereich für Gleichstrommotoren und eine Maschine gemäß der Erfindung darstellt;
9 ein Diagramm ist, welches Unterschiede in „black bands" zwischen herkömmlich ausgelegten Gleichstrommotoren und einer Maschine gemäß der Erfindung darstellt;
10 eine weitere alternative Ausführungsform der Kühlloch-Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
11a–c Beispiele von alternativen Ausführungsformen von Kühlkanälen darstellen.
Detaillierte Beschreibung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Verbessern der Leistungsausnutzung einer drehenden elektrischen Maschine, in der ein Kühlfluid durch axiale Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 85') in dem Rotor, radial einwärts der Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid, das hauptsächlich daran beteiligt ist, die Maschine zu kühlen, durch äußere axiale Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55) geleitet wird, die im Bezug auf die Pfade magnetischen Flusses in dem Rotor im Wesentlichen symmetrisch, und in Bezug auf die Rotorwindungsrillen symmetrisch bereitgestellt sind, und dass die Anzahl von Kühlkanälen in direkter Beziehung zu der Anzahl von Rotorwindungsrillen steht, zum Erreichen einer Symmetrie in dem magnetischen Kreislauf und dadurch guter elektrischer Eigenschaften für die Maschine.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine große Anzahl von äußeren axialen Kühlkanälen (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55) nahe der Rotorwindungsrilien (14, 24, 34, 44) angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid, das hauptsächlich daran beteiligt ist, die Maschine zu kühlen, durch Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55) in dem Rotor geleitet wird, die in einer Anzahl bereitgestellt sind, die der Hälfte der Anzahl der Rotorrillen (24, 44), wenn die letztere gerade ist, oder einer Anzahl entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Rotorrillen (14, 34) ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid, das hauptsächlich daran beteiligt ist, die Maschine zu kühlen, durch Kühlkanäle (15, 65, 75) geleitet wird, die ausgebildet sind, eine vergrößerte periphere Oberfläche und/oder Querschnittsfläche aufzuweisen.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der beabsichtigten Anwendung der Maschine das Kühlfluid, das hauptsächlich daran beteiligt ist, die Maschine zu kühlen, durch axiale äußere Kühlkanäle geleitet wird, die symmetrisch oder asymmetrisch im Bezug auf die Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44) angeordnet sind.
Drehende elektrische Maschine mit einem Rotor, der mit Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44) bereitgestellt ist, die um den Umfang angeordnet sind, mit einem Stator (11), der den Motor umgibt, und wobei Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 85') in dem Rotor gebildet sind und sich in der axialen Richtung des Motors erstrecken bzw. erweitert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, um die longitudinale Achse (C) der Maschine, in Bezug auf die Pfade magnetischen Flusses in dem Rotor symmetrisch, und in Bezug auf die Rotorwindungsrillen symmetrisch verteilt bereitgestellt sind, und dass die Anzahl von Kühlkanälen in direkter Beziehung zu der Anzahl von Rotorwindungsrillen steht, zum Erreichen einer Symmetrie in dem magnetischen Kreislauf und dadurch guter elektrischer Eigenschaften für die Maschine.
Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einer Anzahl bereitgestellt sind, die der Hälfte der Anzahl der Rotorrillen (24, 44), wenn die letztere gerade ist, oder einer Anzahl entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Rotorrillen (14, 34) ist.
Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder) der Kühlkanäle (15, 45, 65, 75) oder alternativ der Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, im Wesentlichen in einer radialen Ebene bereitgestellt sind, die durch die longitudinale Mittelebene der jeweiligen Rotorrille (14, 44) hindurchgeht.
Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder) der Kühlkanäle (25, 35, 65, 75, 85, 85') oder alternativ der Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, im Wesentlichen in einer radialen Ebene bereitgestellt sind, die mittig zwischen zwei benachbarten Rotorrillen (24, 34) hindurchgeht.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle, die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, mit einer verlängerten Querschnittsform (15, 25, 35, 45, 85, 85') in der radialen Richtung des Rotors bereitgestellt sind, und/oder eine profilierte innere periphere Oberfläche (65, 75) aufweisen.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einem radialen Abstand von einer Mittelachse (C) des Rotors bereitgestellt sind, der in dem Bereich von R2 – R1 ≤ 8 + D*0,03 mm liegt, wobei R2 und R1 Radien von dem Mittelpunkt C der Welle in mm angeben, und D der Durchmesser der Rotorplatte in mm ist, und wobei R2 immer größer ist als R1.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einem radialen Abstand von einer Mittelachse (C} des Rotors bereitgestellt sind, der in dem Bereich von R2 – R1 ≤ 5 + D*0,02 mm liegt, wobei R2 und R1 Radien von dem Mittelpunkt C der Welle in mm angeben, und D der Durchmesser der Rotorplatte in mm ist, und wobei R2 immer größer ist als R1.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der beabsichtigten Anwendung der Maschine die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, symmetrisch oder asymmetrisch in Bezug auf die Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44) angeordnet sind.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gleichstrommaschine ist.
Drehende elektrische Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wechselstrommaschine ist.
Rotor einer drehenden elektrischen Maschine, mit Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44), die um seinen Umfang bereitgestellt sind, und der Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 85') aufweist, die sich in der axialen Richtung des Rotors erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, um die longitudinale Achse (C) der Maschine, in Bezug auf die Pfade magnetischen Flusses in dem Rotor symmetrisch, und in Bezug auf die Rotorwindungsrillen symmetrisch verteilt bereitgestellt sind, und dass die Anzahl von Kühlkanälen in direkter Beziehung zu der Anzahl von Rotorwindungsrillen steht, wodurch eine Symmetrie in dem magnetischen Kreislauf des Rotors erreicht wird.
Rotor gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55) in dem Rotor, die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einer Anzahl bereitgestellt sind, die der Hälfte der Anzahl der Rotorrillen (24, 44), wenn die letztere gerade ist, oder einer Anzahl entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Rotorrillen (14, 34) ist.
Rotor gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeder) der Kühlkanäle (15, 45, 65, 75) oder alternativ der Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, im Wesentlichen in einer radialen Ebene bereitgestellt sind, die durch die longitudinale Mittelebene der jeweiligen Rotorrillen (14, 44) hindurchgeht.
Rotor gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeder) der Kühlkanäle (25, 35, 65, 75, 85, 85') oder alternativ der Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, im Wesentlichen in einer radialen Ebene bereitgestellt sind, die mittig zwischen zwei benachbarten Rotorrillen (24, 34) hindurchgeht.
Rotor gemäß Anspruch irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle, die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, mit einer verlängerten Querschnittsform (15, 25, 35, 45, 85, 85') in der radialen Richtung des Rotors bereitgestellt sind, und/oder eine profilierte innere periphere Oberfläche (65, 75) aufweisen.
Rotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einem radialen Abstand von einer Mittelachse (C) des Rotors bereitgestellt sind, der in dem Bereich von R2 – R1 ≤ 8 + D*0,03 mm liegt, wobei R2 und R1 Radien von dem Mittelpunkt C der Welle in nun angeben, und D der Durchmesser der Rotorplatte in mm ist, und wobei R2 immer größer ist als R1.
Rotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, in einem radialen Abstand von einer Mittelachse (C) des Rotors bereitgestellt sind, die in dem Bereich von R2 – R1 ≤ 5 + D*0,02 mm liegt, wobei R2 und R1 Radien von dem Mittelpunkt C der Welle in mm angeben, und D der Durchmesser der Rotorplatte in mm ist, und wobei R2 immer größer ist als R1.
Rotor gemäß irgendeinem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der beabsichtigten Anwendung der Maschine die Kühlkanäle (15, 25, 35, 45, 65, 75, 85, 85') oder alternativ Gruppen von Kühlkanälen (55), die hauptsächlich daran beteiligt sind, die Maschine zu kühlen, symmetrisch oder asymmetrisch im Bezug auf die Rotorwindungsrillen (14, 24, 34, 44) angeordnet sind.
Verwendung einer drehenden elektrischen Maschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 15 bei Motorbetrieb.