DE602005004087T2

DE602005004087T2 - Abstandshalter für Kapselringe und Abschirmung für den Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE602005004087T2
Application number: DE602005004087T
Authority: DE
Inventors: Christopher Anthony Schenectady Kaminski; Robert John Saratoga Springs NYGARD; Nancy Lee Niskayuna Nichols; Anand Shankar Albany Tanavde
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: CN100576690C; EP1630932A1; DE602005004087D1; US6977460B1; JP2006067788A; EP1630932B1; CN1741348A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorkonfiguration für eine elektrische Maschine und insbesondere Abstandhalter für axial beabstandete Gehäuseringe und ringförmige Abschirmungen um die Polflächen und die Feldwicklungsmodule einer elektrischen Maschine.
In einer speziellen elektrischen Maschine umfasst eine Rotorkonfiguration einen um eine Achse drehbar gelagerten Multipol-Rotor. Eine Vielzahl von Feldwicklungsmodulen ist entsprechend um jeden Pol des Multipol-Rotors herum angeordnet, und ein Gehäuse ist über den Feldwicklungsmodulen angeordnet, um Letztere um den Rotorkern herum einzugrenzen. Eine magnetische Abschirmung ist um die Feldwicklungsmodule und das Gehäuse herum und zwischen ihnen angeordnet.
Das Gehäuse, wie auch die Abschirmung, bildet einen Teil eines Containment Systems für die Wicklungen. Es ist ersichtlich, dass die Wicklungen in dem Rotor Kühlung benötigen, und es fließt typischerweise ein Kühlmedium durch definierte Kanäle in dem Rotor und strömt in den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator aus. Ein Teil des Gehäuses umfasst Ringe. Dementsprechend existiert ein Erfordernis, die Gehäuseringe um die Feldwicklungsmodule untereinander und entlang der Rotorwelle axial positioniert zu halten, um wohldefinierte Positionen für das radiale Ablassen des Kühlmediums zur Verfügung zu haben, und um den elektrischen Anschluss der Segmente des Dämpferschildes (amortisseur shield) zu ermöglichen und gleichzeitig Montagehilfen zu bieten, um die Rotorarchitektur leichter montierbar zu machen.
EP-A-1.124.304 offenbart einen Rotor gemäß der Präambel zu Anspruch 1. Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wird zumindest eine Nut entlang jeder Polfläche des Rotorkerns bereitgestellt. Um ein Paar Gehäuseringe in einer vorgegebenen Axialposition in Bezug aufeinander entlang dem Rotorkern zu halten, ist ein Abstandhalter in der Nut vorgesehen und erstreckt sich zwischen dem Paar Ringe auswärts, um eine vorgegebene axiale Beabstandung zwischen den Ringen beizubehalten. Der Abstandhalter kann eine geradlinige Basis mit einem radial auswärts gerichteten Vorsprung umfassen, um zwischen die Ringe einzugreifen, oder er kann eine allgemein schwalbenschwanzförmige Basis aufweisen, die in einer komplementär ausgebildeten Nut im Rotorkern aufgenommen und gehalten wird.
Die Rotorwelle umfasst einen Multipol-Rotorkern mit um den Rotorkern herum angeordneten Feldwicklungsmodulen, über den Feldwicklungsmodulen angeordneten axial beabstandeten Gehäuseringen, einer sich entlang jedem Pol des Rotorkerns erstreckenden Nut und Abschirmsegmenten zwischen den Gehäuseringen und dem Rotorkern. In der Nut des Rotorkerns sind Abstandhalter mit Vorsprüngen angeordnet, die sich zwischen die axial benachbarten Abschirmsegmente und Gehäuseringe erstrecken. Die Abstandhalter sind aus elektrisch leitendem Material gebildet, wodurch ein kontinuierlicher elektri scher Stromweg zwischen axial benachbarten Abschirmsegmenten bereitgestellt wird. Der Spalt zwischen den Abschirmsegmenten, wie auch den axial benachbarten Gehäuseringen, kann zwecks Drosselung des Kühlstroms gesteuert werden. Um dies zu erreichen können die Endränder der voneinander beabstandeten Abschirmsegmente Aussparungen aufweisen, um die radialen Vorsprünge der Abstandshalter zu umschließen, wobei die Aussparungen unterschiedlich dimensioniert sind, um den Abstand zwischen entgegengesetzten Endrändern der Abschirmsegmente zu steuern. Die Endränder der axial beabstandeten Ringe können an die radialen Vorsprünge anstoßen und so von den Endrändern der Abschirmsegmente zurückgesetzt sein.
Es wird ein Rotor für eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt, umfassend eine Rotorwelle mit einem Multipol-Rotorkern mit Polflächen, entsprechend auf dem Rotorkern angeordneten Feldwicklungsmodulen, einem über den Feldwicklungsmodulen angeordneten axial beabstandeten ersten und zweiten Gehäusering, wobei der Rotorkern mit einer sich entlang jeder Polfläche des Rotorkerns erstreckenden Nut und mit einem ersten Abstandhalter versehen ist, der in jeder Nut und zwischen dem ersten und zweiten Ring angeordnet ist, um das Paar Gehäuseringe in einem aufeinander bezogenen vorgegebenen Axialabstand zu halten.
Es wird eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt, umfassend einen Rotor mit einer Achse, um den Rotor herum angeordneten Feldwicklungen, einem über den Feldwicklungsmodulen angeordneten axial beabstandeten ersten und zweiten Gehäusering, die über den Feldwicklungen angeordnet sind, wobei der Rotor ein Paar Nuten aufweist, die sich an Positionen in Umkreisrichtung entlang der gebogenen Seiten um den Rotor erstrecken, und einen ersten in jeder Nut zwischen dem ersten und zweiten Ring angeordneten Abstandhalter, um das Paar Gehäuseringe in einem aufeinander bezogenen vorgegebenen Axialabstand zu halten.
Es werden nun anhand von Beispielen und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben:
1 ist eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Rotors in einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung des Rotors aus 1 und eines Stators, von einem Ende der elektrischen Maschine aus betrachtet;
3 ist eine Teilperspektive, bei der Teile entfernt wurden, die den Rotorkörper mit axial beabstandeten Gehäuseringen um den Körper darstellt;
4 ist eine vergrößerte Teilperspektive des in 3 Dargestellten;
4a ist eine vergrößerte Perspektive eines Abstandhalters, der zur axialen Beabstandung der in den 3 und 4 dargestellten Gehäuseringe verwendet wird;
5 ist eine Teilperspektive einer weiteren Form eines Abstandhalterrings;
6 ist ein Teilquerschnitt des Rotorkörpers, im Wesentlichen entlang der Schnittlinie 6-6 in 4;
7 ist eine Darstellung ähnlich der in 6, die Abstandhalter zeigt, die einen Spalt zwischen axial benachbarten Abschirmungen und Gehäuseringen schaffen;
8 ist ein Grundriss des in 7 Dargestellten und
9 ist ein Grundriss der axial beabstandeten Abschirmung.
Ein Generator-Rotor 30 umfasst eine Rotorwelle 31, einen mehrpoligen Magnetkern 32 (dargestellt ist ein zweipoliger Kern) und eine Vielzahl von Feldwicklungsanordnungen 34 – eine für jeden Pol – und die entsprechenden Polflächen 36. Die Konstruktion und die Materialien des Magnetkerns 32 und der Wicklungsanordnungen 34 sind bekannt. Die vorfabrizierten Wicklungsanordnungen sind über dem den Rotor bildenden parallelen Schmiedestück angeordnet und in einem Bogen gewölbt, der allgemein konzentrisch mit dem Rotorkörper ist. Wie in 2 dargestellt, ist der Rotor in einem Stator angeordnet, und es existiert ein Luftspalt zwischen dem Gehäuse um den Rotor und der Innenoberfläche des Stators. Zu Orientierungszwecken ist in 2 eine Quadraturachse Q dargestellt, die sich normal zur Rotationsachse des Rotors und den ebenen Seitenoberflächen erstreckt. Die direkte Achse D erstreckt sich normal zu der Q-Achse und der Rotationsachse.
Jede Polfläche 36 des Rotorkörpers umfasst, wie in 3 dargestellt, eine gewölbte Oberfläche 38 mit einer sich axial erstreckenden Nut 40, die sich von einer Endfläche 41 jedes Pols aus öffnet. Die Nut kann viele unterschiedliche Formen annehmen, d. h. eine geradlinige oder Schlüssellochform, bevorzugt wird aber eine schwalbenschwanzförmige Nut 40 mit einer seitlich vergrößerten Basis 47 (4). Es ist ersichtlich, dass die Gehäuseringe 42 um den Rotorkörper herum angeordnet sind und den Rotorkörper und die Feldwicklungen im Wesentlichen einkapseln. Außerdem sind Dämpferschild-Ringe oder -Segmente 44 ( 7–9) um den Rotorkörper und die Feldwicklungen herum an axial beabstandeten Positionen unterhalb der Gehäuseringe 42 angeordnet. Wie zuvor festgestellt, stellt die axiale Beabstandung der Ringe untereinander Entlüftungskanäle für die Feldwicklungen bereit, um Wärme von dem Rotorkörper in den Spalt zwischen dem Rotorkörper und dem Statur abzuleiten. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass der Rotorkörper und die Feldwicklungen sich nicht gleichmäßig erwärmen, weswegen eine variable Beabstandung zwischen dem Gehäuse und den Abschirmringen wünschenswert ist. Gleichzeitig ist es wünschenswert, wohldefinierte Positionen für das radiale Ausströmen des Kühlmediums durch den Rotorkörper in den Spalt zu schaffen, ein Mittel zum elektrischen Anschluss der Dämpferschild-Segmente und eine Montagehilfe zur leichteren Montage der Rotorarchitektur zur Verfügung zu stellen.
Die verschiedenen Ringe sind durch Abstandhalter 46 axial voneinander beabstandet, wie es in den 4 und 4a dargestellt ist. Die Abstandhalter 46 umfassen eine Basis 48 und einen Vorsprung 50, der sich von der Basis 48 auswärts erstreckt. In 4a ist der Abstandhalter 46 im Wesentlichen geradlinig, wobei die Basis 48 für einen verschieblichen Eingriff entlang dem Schlitz 40 eingerichtet ist, und wobei der Vorsprung 50 ausreichend über die Oberfläche der Polfläche 36 vorsteht, um in die Aschirm- und Gehäuseringe einzugreifen. Die Abstandhalter 46 können daher der Reihe nach in die Nut 40 gesteckt oder in ihr platziert werden, während die Ringe um den Rotorkörper herum platziert werden. Das bedeutet, die Ringe, d. h. ein Abschirmring und ein Gehäusering, können so auf dem Rotorkörper platziert werden, dass sie mit den in den Nuten 40 in jeder der Polflächen 36 positionierten Abstandhaltern 46 alternieren, wodurch die Sätze von Ringen, d. h. Abschirm- und Gehäuseringen, durch die Vorsprünge 50 axial voneinander beabstandet werden können. Die Abstandhalter müssen nicht in der Nut 40 gehalten werden, da die Füße 52 der Abstandhalter 46 sich in Längsrichtung über die Vorsprünge 50 hinaus erstrecken, um unter den Ringen 44 und 42 zu liegen. Dadurch halten die Ringe die Abstandhalter auf dem Rotorkörper 32. Es ist ersichtlich, dass die Abstandhalter das Gehäuse und die Abschirmringe gegen Axialbewegung zurückhalten und eine vorhersehbare Beabstandung der Ringe für das Ausströmen der Feldwicklungs-Entlüftung bieten. Eine variable axiale Beabstandung kann erreicht werden – in Abhängigkeit von den Erfordernissen hinsichtlich der Rotor-Entlüftung – durch Vergrößerung oder Reduzierung der axia len Ausdehnung des Vorsprunges 50 der vorgegebenen Abstandhalter 46.
In den 5 und 6 handelt es sich um eine andere Konfiguration des Abstandhalters als in der 4a. Insbesondere umfasst in den 5 und 6 der Abstandhalter 60 eine schwalbenschwanzförmige Basis 62 mit einem aufrechten, im Wesentlichen zylinderförmigen Vorsprung 64, um sich aus der Nut 40 heraus zu erstrecken. Folglich ist für den Abstandhalter 60 ein axialer Einbau in die Nut erforderlich, abwechselnd mit der axialen Anordnung der Abschirm- und Gehäuseringe. Wie in der vorherigen Ausführungsform können die Ringe durch Änderung der Dicke, d. h. des Durchmessers des Vorsprungs 64, entlang dem Rotorkörper voneinander unterschiedlich beabstandet sein. Es ist ersichtlich, dass die Abstandhalter in den Nuten 40 nicht befestigt werden müssen, sondern durch die darüber liegenden Ringe, die nach der Montage mit dem Rotorkörper verbunden werden, in den Nuten 40 gehalten werden. Daher kompliziert das „Gefangensein" der Abstandhalter in den Nuten die Montage der Ringe um den Rotor nicht.
In den 7–9 ist eine weitere Form der Abstandhalter dargestellt. In dieser Form kann der Abstandhalter 70 eine geradlinige Basis 72 oder eine schwalbenschwanzförmige Basis wie in der vorigen Ausführungsform aufweisen, mit einem radial auswärts gerichteten zylinderförmigen Vorsprung 74, der axial entlang gegenüberliegender Seiten Vertiefungen 76 aufweist. So kann die Basis 72 des Abstandhalters entlang der Nut 40 angeordnet sein, wobei die Abschirmringe in die Vertiefungen 76 entlang der Vorsprünge 74 eingreifen. Auf diese Weise sind die Abschirmringe axial voneinander mit einem vorgegebenen Abstand beabstandet, der von der Dicke der Vertiefungen 76 der zylinderförmigen Vorsprünge 74 abhängt. Wie in vorhergehenden Ausführungsformen sind die Gehäuseringe 42 durch die zylinderförmigen Vorsprünge 74 voneinander beabstandet. Wie es in den 7 und 8 am besten dargestellt ist, sind die Abschirmringe enger axial voneinander beabstandet als die Gehäuseringe 42 voneinander beabstandet sind. Folglich drosseln die Abschirmungen den Strom zwischen den axial beabstandeten Gehäuseringen 42.
In einem bevorzugten Aspekt dieser Ausführungsform der Erfindung können die Abschirmringe 44 bogenförmige Ausschnitte 80 aufweisen (9), die über der Nut 40 liegen, um die zylinderförmigen Vorsprünge 74 zu umschließen. Der Abstandhalter dieser Form kann eine kreisförmige Vertiefung radial auswärts von der Abstandshalter-Basis und einen geradlinigen Kopf auf dem Vorsprung aufweisen. Folglich umschließen die bogenförmigen Schlitze 80 entlang der Abschirmsegmente den kreisförmigen Teil des Abstandhalters, während die Gehäuseringe entlang der linearen Seiten des viereckigen Vorsprungs auf dem Kopf eingreifen. Es ist ersichtlich, dass durch die Anordnung eines Einschnitts in den Abschirmsegmenten die Abschirmungen nicht um die Rotorachse rotieren können.

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend: eine Rotorwelle (31) mit einem Multipol-Rotorkern (32) mit Polflächen (36); Feldwicklungsmodule (34), die jeweils an dem Roterkern angeordnet sind; einen ersten und zweiten axial beabstandeten Gehäusering (42), die über den Feldwicklungsmodulen angeordnet sind; den Rotorkern (32) mit einer Nut (40), die sich entlang einer jeden Polfläche des Rotorkerns erstreckt, und einen ersten Abstandshalter (46), der in jeder Nut und zwischen dem ersten und zweiten Ring angeordnet ist, um das Paar Gehäuseringe in einem vorbestimmten axialen Abstand von einander zu halten.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (31) um eine Achse rotierbar ist und sich die Nuten (40) entlang der Polflächen im Wesentlichen in Richtungen parallel zu der Achse erstrecken.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (40) durch mindestens eine Endfläche (41) einer jeden Polfläche öffnen, um das Einfügen der Abstandshalter in die Nuten zu ermöglichen.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Nuten eine Basis (47) in der Polfläche aufweist mit einer seitlichen Ausdehnung, welche über die Breite der Nut hinausgeht, die durch eine Fläche des Pols hindurch offen ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Nut eine Schwalbenschwanzkonfiguration aufweist und jeder Abstandshalter eine entsprechende Schwalbenschwanzkonfiguration zur Aufnahme in die Nut aufweist.
Rotor nach Anspruch 1, umfassend einen dritten Gehäusering (42), mindestens einen zweiten Abstandshalter (46) in jeder Nut, der von dem ersten Abstandshalter beabstandet ist, wobei der erste Ring axial zwischen dem ersten und zweiten Abstandshalter angeordnet ist, der zweite Ring auf einer Seite des ersten Ringes mit dem ersten Abstandshalter zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring angeordnet ist, der dritte Ring auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten Ringes mit dem zweiten Abstandshalter zwischen dem ersten Ring und dem dritten Ring angeordnet ist, und dadurch ermöglicht, dass der erste Abstandshalter den ersten Ring und den zweiten Ring axial voneinander beabstandet und der zweite Abstandshalter den ersten Ring und den dritten Ring voneinander axial beabstandet.
Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der axiale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ring von dem axialen Abstand zwischen dem ersten und dem dritten Ring unterscheidet.
Rotor nach Anspruch 1, umfassend axial beabstandete elektrisch leitende im Wesentlichen ringförmige Abschirmsegmente (44), die zwischen den Gehäuseringen (42) und den Feldwicklungsmodulen (34) angeordnet und auf den gegenüberliegenden Seiten der Abstandshalter mit den Abstandshaltern verbunden sind, wobei die Abstandshalter aus elektrisch leitendem Material gebildet sind, um einen durchgehenden elektrischen Strompfad zwischen den beabstandeten elektrisch leitenden Abschirmsegmenten zu bilden.
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmsegmente, die an die Abstandshalter grenzen, einen engeren axialen Abstand dazwischen aufweisen als der vorbestimmte axiale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäusering.
Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter einen sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckenden Vorsprung (50) umfassen, der von dem Paar Gehäuseringe und einer Vertiefung (76) eingefasst wird, wobei die Abschirmsegmente entlang der am Rand befindlichen axial zugewandten Kanten Aussparungen aufweisen, um die Vertiefungen zumindest teilweise zu umgeben.