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Die vorliegende Endung betrifft rotierende elektrische
Maschinen, insbesondere rotierende elektrische Maschinen, die mit
sich verändernden Drehzahlen
arbeiten, wie beispielsweise einen Generator mit veränderlicher
Frequenz.
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In einer rotierenden elektrischen
Maschine, die einen eingeschlossenen Rotor und einen Ständer aufweist,
wie beispielsweise einem Generator nur veränderlicher Frequenz, ist es
im allgemeinen erforderlich, eine Kühlung sowohl der Ständerwicklungen als
auch der Rotorwicklungen zu bewirken. Das kann bewirkt werden, indem
ein Kühlfluid
(z. B. Öl)
in den Rotor und durch die Rotorwicklungen gelangt, und indem gleichzeitig Öl aus den
Austritten an beiden Enden des Rotors auf die Ständerendwicklungen herausgespritzt
wird. Ein spezielles Problem bei elektrischen Maschinen, die nur
sich verändernden
Drehzahlen arbeiten, ist, daß eine
ausreichende Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlfluids
bei niedrigen Betriebsdrehzahlen aufrechterhalten werden muß, um eine Überhitzung
der Wicklungen zu vermeiden, wohingegen man bei hohen Betriebsdrehzahlen
darauf achten muß,
daß eine übermäßige Strömungsgeschwindigkeit
vermieden wird, die die Beschichtung der Ständerendwicklungen beschädigen und/oder den
Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigen kann.
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Im WO 91/07003 werden die Ständerendwicklungen
eines Generators mit veränderlicher Drehzahl
mittels eines Kühlfluids
abgekühlt,
das zentrifugal durch ein radiales Rohr mit einer Öffnung zugeführt wird,
durch die das Fluid auf die Endwicklungen spritzt. Eine Einrichtung
für das
Verändern
der Größe der Öffnung in
der Form einer Kugel und einer Vorspannfeder, die auf die Kugel
wirkt, wird bereitgestellt, um den Strom des Kühlfluids bei hohen Drehzahlen
zu begrenzen.
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Im
US
5554898 wird eine einfachere Anordnung beschrieben. Kanäle, die
aus dem Inneren des Rotors zu seinem Umfang führen, sind an den entgegengesetzten
Enden des Rotors nur einem Strömungsweg
dazwischen versehen, der über
die Rotorwicklungen hinweggeht. Bei Benutzung wird das Kühlöl in den
Rotor und längs
des Strömungsweges über die
Rotorwicklungen gepumpt. Eine Zentrifugalkraft veranlaßt, daß das Kühlöl eine ringförmige Schicht
auf jedem Ende des Rotors bildet. Die Eintritte der Kanäle werden
in der ringförmigen Ölschicht untergetaucht,
und so wird Öl
durch die Kanäle
auf die Ständerendwicklungen
gedrückt.
Bei zunehmenden Drehzahlen wird die Höhe der ringförmigen Schicht
(„Druckhöhe") über den
Eintritten verringert, wodurch die Aufrechterhaltung eines vernünftig gleichmäßigen Stromes
des Kühlfluids
zu den Ständerendwicklungen
unterstützt
wird.
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In sowohl dem WO 91/07003 als auch
dem
US 5554898 ist das
angesprochene Hauptproblem das Verhindern einer Beschädigung an
den Ständerendwicklungen
durch einen übermäßigen Strom
des Kühlfluids
bei hohen Drehzahlen. Ein bedeutendes Problem bei bestimmten Anwendungen
ist jedoch die Aufrechterhaltung eines ausreichenden Kühlfluidstromes über die
Rotorwicklungen, um eine Überhitzung
der Rotorwicklungen zu verhindern, wenn die Belastung bei niedrigen
Drehzahlen hoch ist.
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Daher ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen,
bei der ein ausreichender Strom des Kühlfluids über die Rotorwicklungen bei
niedrigen Drehzahlen aufrechterhalten wird, wohingegen ein übermäßiger Strom
bei hohen Drehzahlen vermieden wird.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
ein rotierende elektrische Maschine mit veränderlicher Drehzahl bereitgestellt,
die aufweist: einen Ständer
mit Wicklungen und einen Rotor, der innerhalb des Ständers für eine Drehung
um eine Achse montiert ist, wobei der Rotor Wicklungen aufweist; einen
Kühlfluideintritt
in einen ersten Endbereich des Rotors; mindestens einen ersten Fluidkanal
mit einer Eintrittsöffnung
im ersten Endbereich des Rotors und einer Austrittsöffnung,
die angeordnet ist, um Fluid in einen ersten Bereich der Ständerwicklungen
abzulassen; mindestens einen zweiten Fluidkanal mit einer Eintrittsöffnung in
einem entgegengesetzten Endbereich des Rotors und einer Austrittsöffnung, die
angeordnet ist, um Fluid in einen zweiten Bereich der Ständerwicklungen
abzulassen; und einen Strömungsweg,
der sich durch den Rotor vom ersten Endbereich zum entgegengesetzten
Endbereich erstreckt, wobei sich die Rotorwicklungen im Strömungsweg
befinden; worin mindestens ein dritter Fluidkanal mit einer Eintrittsöffnung im
entgegengesetzten Endbereich des Rotors und einer Austrittsöffnung vorhanden
ist, wobei der mindestens eine dritte Kanal eine größere Durchflußkapazität aufweist
als der mindestens eine zweite Kanal und dessen Eintrittsöffnung näher an der
Achse des Rotors angeordnet ist als die Eintrittsöffnung des
zweiten Kanals.
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Man wird verstehen, daß bei Benutzung, wenn
eine ringförmige
Schicht des Kühlfluids
in jedem Endbereich des sich drehenden Rotors infolge der Zentrifugalkraft
gebildet wird, die Eintrittsöffnungen
aller Kanäle
innerhalb der ringförmigen
Schicht des Kühlfluids
bei relativ niedrigen Drehzahlen angeordnet werden, wohingegen nur
die Eintrittsöffnungen
der ersten und zweiten Kanäle
innerhalb der ringförmigen
Schicht des Kühlfluids
bei relativ hohen Drehzahlen angeordnet werden.
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Vorzugsweise weist der mindestens
eine dritte Kanal mindestens die doppelte Durchflußkapazität des mindestens
einen zweiten Kanals auf.
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Die größere Durchflußkapazität des mindestens
einen dritten Kanals kann zweckmäßigerweise durch
Ausbilden eines derartigen Kanals mit einer Bohrung zustande gebracht
werden, die größer ist als
die des zweiten Kanals.
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Vorzugsweise ist die Eintrittsöffnung des
ersten Kanals näher
an der Achse angeordnet als die Eintrittsöffnung des zweiten Kanals.
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Vorzugsweise wird ein Paar von jedem
von erstem, zweitem und drittem Kanal bereitgestellt. Mehr bevorzugt
sind die Austrittsöffnungen
eines jeden Paares der Kanäle
diametral gegenüberliegend.
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Vorzugsweise ist die rotierende elektrische Maschine
ein Generator mit veränderlicher
Frequenz, und mehr bevorzugt vom allgemeinen Typ, der im U.S.Patent
5554898 beschrieben wird.
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Eine Ausführung der Erfindung wird jetzt
als Beispiel mir Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
die zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines bekannten Typs des im
US 5554898 offenbarten Generators mit
veränderlicher
Frequenz;
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2 eine
Stirnseitenansicht des Rotors des Generators aus 1 in der Richtung des Pfeils B in 1, die die Fluidkanäle im Schnitt
und in einem größeren Maßstab zeigt;
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3A und 3B zeichnerisch einen Teil
des Generators aus 1,
der mit hohen und bzw. niedrigen Drehzahlen arbeitet; und
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4A und 4B zeichnerisch einen Teil einer Ausführung eines
Generators in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung, der mit hohen und bzw. niedrigen Drehzahlen
arbeitet.
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Durchgängig in der Beschreibung werden gleichen
Teilen die gleichen Bezugszahlen zugeordnet.
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1 zeigt
einen Generator
10 mit veränderlicher Frequenz, der so
ist, wie er im
US 5554898 offenbart
wird, und auf dessen Patentbeschreibung man sich für eine detailliertere
Beschreibung beziehen sollte. Kurz gesagt, der Generator
10 weist
einen Ständer
12 und
einen Rotor
14 auf, die in einem Gehäuse
16 enthalten sind.
Der Rotor
14 ist innerhalb des Ständers
12 auf Lagern
18 für eine Drehung
um seine Achse A montiert. Der Rotor
14 wird mittels der Zwischenanordnung
einer Keilhohlwelle
20 angetrieben. Der Rotor
14 weist
einen Kern
22 mit Wicklungen
24 auf, die sich
axial längs
der Aussparungen
26 darin erstrecken (siehe
2), und der Umfang des Kernes
22 wird
durch ein Blechrohr
28 umgeben. Die Endkappen
29a und
29b sind
an den entgegengesetzten Enden des Rohres
28 vorhanden.
Der Ständer
12 weist
Wicklungen
30 auf, die sich über den Körper des Ständers
12 an beiden
Enden hinaus erstrecken, um überstehende
Endwicklungen
30a zu bilden. Strom wird den Rotorwicklungen
24 über einen
Erregergenerator
31 zugeführt, und die Ausgangsleistung
des Hauptgenerators wird in den Ständerwicklungen
30 als
Reaktion auf das sich drehende Magnetfeld erzeugt, das durch den
Rotor
14 erzeugt wird.
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Kühlöl wird dem
ersten Endbereich des Rotors 14 durch ein Eintrittsrohr 32 zugeführt und
bewegt sich längs
eines Strömungsweges
zwischen den Rotorwicklungen 24, um in eine Kammer 34 am entgegengesetzten
Endbereich des Rotors 14 auszutreten. Bei Benutzung bewirkt
die Drehung des Rotors 14, daß das Kühlöl nach außen gedrückt wird, um so eine ringförmige Schicht 36 zu
bilden, die einen mittleren Luftkern 38 an beiden Endbereichen des
Rotors 14 umgibt. Jede Schicht 36 wird auf dem Blechrohr 28 und
den Enbdkappen 29a und 29b gebildet.
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Mit Bezugnahme auf
2 sind ein Paar erste Kanäle
40,
von denen ein jeder eine Eintrittsöffnung
40a aufweist,
die durch ein Ende eines Fluidzuführelementes
42 definiert
wird (von gleicher Konstruktion wie jene, die im
US 5554898 offenbart werden), eine
Austrittsöffnung
40b und
eine Düse
44 im ersten
Endbereich des Rotors
14 vorhanden. Die Eintrittsöffnungen
40a werden
in der ringförmigen Ölschicht
36 so
getaucht, daß das
Kühlöl von der
ringförmigen
Schicht
36 zum Umfang des Rotors
14 geführt wird,
wo es auf die Ständerendwicklungen
30a gespritzt
wird. Eine gleiche Anordnung der zweiten Kanäle (nicht gezeigt) ist im entgegengesetzten
Endbereich des Rotors vorhanden, wobei der Hauptunterschied der
ist, daß die
Eintrittsöffnungen
40a der Kanäle
40 näher an der
Achse des Rotors
14 sind als die Eintrittsöffnungen
der zweiten Kanäle,
um einen Druckabfall über
den Rotor
14 zu gestatten.
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3A und 3B zeigen zeichnerisch einen Teil
eines konventionellen Generators 10, der ein Paar erste
und zweite Kanäle 40, 46 (nur
einer wird von jedem Paar gezeigt) in jedem Endbereich des Rotors 14 aufweist.
In 3A ist die Rotordrehzahl hoch
(z. B. 15000 U/min.). Eine ringförmige
Schicht des Kühlöls 36 mit
einem mittleren Luftkern 38 wird im Bereich des ersten
Kanals 40 infolge der Zentrifugalkraft gebildet, die durch
die Drehung des Rotors 14 erzeugt wird. Das Kühlöl gelangt über die
Rotorwicklungen 24 mit einer Geschwindigkeit von annähernd 10
l/min. zum Bereich des zweiten Kanals 46, wo es sich wieder
zu einer ringförmigen
Schicht 36 ausbildet. Die radiale Positionierung der Eintrittsöffnungen 40a und 46a der
ersten und zweiten Kanäle ist
so, daß das
Kühlöl in die
ersten und zweiten Kanäle 40 und 46 gezogen
und anschließend
auf die Ständerendwicklungen 30a mit
einer Geschwindigkeit von 10 l/min. von jedem ersten und zweiten
Kanal 40 und 46 gespritzt wird.
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In 3B ist
die Rotordrehzahl niedrig (10000 U/min.). Der Strom des Kühlfluids über den Rotor 14 und
durch die ersten und zweiten Kanäle 40 und 46 wird
auf 5 l/min. verringert und ist bei dieser Drehzahl nicht ausreichend,
um eine ringförmige Ölschicht
zu bilden. Eine derartige Strömungsgeschwindigkeit
kann unzureichend sein, um die Rotorwicklungen 24 in Situationen
mit hoher Belastung abzukühlen.
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Der in 4A und 4B zeichnerisch gezeigte Generator gleicht
dem aus 3A und 3B, ist aber mit einem dritten
Kanal 48 im gleichen Endbereich wie die zweiten Kanäle 46 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung (von denen nur einer gezeigt wird)
versehen. Der dritte Kanal 48 ist von gleicher Konstruktion
wie die ersten und zweiten Kanäle 40, 46,
zeigt aber eine breitere Bohrung, um eine größere Durchflußkapazität zu liefern.
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Mit Bezugnahme auf 4A,
wenn die Rotordrehzahl hoch ist, liegt die Eintrittsöffnung 48a des dritten
Kanals 48 im Luftkern 38, und daher wird kein Kühlöl in die
Eintrittsöffnung 48a gezogen.
Bei dieser Drehzahl gibt es keinen Unterschied beim Betrieb zwischen
den Generatoren aus 3A und 4A.
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Mit Bezugnahme auf 4B kann
man sehen, daß bei
niedrigen Rotordrehzahlen die Eintrittsöffnung 48a des dritten
Kanals 48 jetzt innerhalb der ringförmigen Ölschicht 36 liegt,
und daher wird Öl durch
den zweiten und dritten Kanal 46 und 48 mit Geschwindigkeiten
von 3 l/min. und bzw. 7 l/min. infolge der relativen Abmessungen
der Bohrungen des zweiten und dritten Kanals 46 und 48 gezogen.
In diesem Fall wird der Strom über
den Rotorwicklungen 24 mit 10 l/min. aufrechterhalten.
Während
der Rotor eine Zunahme der Drehzahl zeigt, dehnt sich der Luftkern 38 radial
von der in 4A gezeigten Position in
die in 4B gezeigte Position aus. Die Eintrittsöffnung 48a des
dritten Kanals 48 ist so positioniert, daß, wenn
sie nicht mehr in der Ölschicht 36 untergetaucht
ist, ein ausreichender Strom über
den Rotor 14 durch den zweiten Kanal 46 allein
aufrechterhalten wird.
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Beim konventionellen Generator könnte der Strom über die
Rotorwicklungen 24 bei langsamen Drehzahlen auf ein zufriedenstellendes
Niveau erhöht
werden, indem die Bohrung des zweiten Kanals 46 vergrößert wird.
Das würde
jedoch zu einem übermäßigen Strom
durch die Rotorwicklungen 24 bei höheren Drehzahlen führen, was
den Wirkungsgrad des Generators beeinträchtigt und eine Beschädigung an
den Ständerendwicklungen 30a riskiert (1).