DE7441676U

DE7441676U - Rotor einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE7441676U
Application number: DE7441676U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1976-09-30
Also published as: NO141290C; FR2292363A1; CA1047090A; BR7500192A; CH578794A5; SE7512856L; DE2459235A1; NO141290B; IT1049077B; NO753829L; ES442702A1; FR2292363B1; JPS5159302A; GB1484967A

Description

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Rotor einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere vertikaler Bauart, wobei Zentralkörper und Polradkranz des Rotors zwei konzentrische Ringe bilden, welche mittels einer Mehrzahl gleichniässig über den Umfang angeordneter Speichen verbunden sind,

Derartige Rotoren werden insbesondere für langsamlaufende Maschinen mit grossem Durchmesser, beispielsweise Zementmühlenantriebe oder Wasserkraftgeneratoren, gebaut. Die Befestigung des Polradkranaes am Rotorstern muss dabei in der Lage sein, sowohl die während des Betriebes der elektrischen Maschine auftretenden Drehmomente als auch die radial gerichteten Kräxte, die sich aus der Aufweitung des Kranzes infolge der Pliehkrafbbeanspruchung

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und durch Erwärmung ergeben, aufzunehmen'. Es ist sogar anzustreben, dass ein Abheben des Kranzes vom Stern erst über der Betriebsdrehzahl, möglichst erst bei Schleuderdrehzahl stattfindet.

Eine erste allgemein bekannte Befestigung ist das Aufschrumpfen und/oder das radiale Verkeilen des Kranzes auf den mit radialen Armen versehenen Stern. Es können dabei sehr grosse Schrumpfkräfte zwischen beiden Elementen auftreten, die unter Umständen eine mechanische Verstärkung beider Elemente erfordern; dies insbesondere bei vertikalachsigen Rotoren, bei welchen durch das Schrumpfen der Radstern stark auf Druck beansprucht wird. Diese sehr kostspieligen Methoden haben zudem den Nachteil, dass die Polradkränze nicht ohne weiteres vom Rotorstern demontiert werden können.

Eine weitere bekannte Ausführung (CH-PS 537 6ij6) sieht vor, die Befestigung des Polradkranzes auf dem mit radialen Armen versehenen Radstern mit elastischen Passstücken vorzunehmen, die einerseits an den Armen befestigt sind und andererseits spielfrei in Nuten des Kranzes eingreifen. Diese Passstücke übertragen die aus dem Drehmoment herrührenden tangential gerichteten Kräfte. Um bei allen Betriebsbedingungen eine satte radiale Anlage der Passstücke zu gewährleisten» weisen sie vor Demontage in radialer Richtung eir> Uebermass auf, um eine der Fliehkraft entgegengerichbete Vorspannung zu erzielen. Der mit den Pass-

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stücken versehene Kranz wird erwärmt, auf den Stern aufgezogen, und nach dem Erkalten werden die Passstücke an den Armen verschweisst. Eine derartige Anordnung verhindert wohl ein Abheben des Kranzes bei Ueberdrehzahl, jedoch ist durch die Verwendung von elastischen Elementen, insbesondere bei asymmetrischer Belastung, weder die Kreisform noch die Zentrizität des Rotors gewährleistet.

Ein weiteres Rotorkonzept wird anhand eines Zementmühlenrotors angesprochen (US-PS 3.272.444). Elastische Speichen verlaufen exzentrisch vom Zentralkörper zum Polradkranz, können sich jedoch, weil sie elastisch sind, auch radial erstrecken. In Abweichung hierzu können die Speichen durch Scheiben ersetzt werden, sofern diese dünn genug sind, um die geforderte Elastizität zu gewährleisten. Wird der Tragkörper als starre Scheibe ausgeführt, so muss die Radnabe von elastischer Konstruktion sein.

Bei allen vorgängig besprochenen Lösungen werden die relativen Dehnungen der verschiedenen Bauteile entweder durch radiale Elastizität oder durch radiale Bewegungsfreiheit der Arme erzielt. Insbesondere bei grossen Maschinen, bei welchen die ringförmigen Elemente mit hoher Elastizität konzipiert werden, werden die Probleme auf die Ringsteifigkeib und die Konaentrizität verlagert, was zu sehr teuren Lösungen führt.

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Dadurch, dass die radialen Rotorspeichen beim Uebertragen des Drehmomentes auf Biegung beansprucht werden, muss die Querschnittsfläche der Speichen stark gewölbt sein, um beispielsweise die bei einem Stosskurzschluss an den üeneratorklemmen auftretenden Kräfte aufnehmen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgängig angeführten Nachteile zu vermeiden und eine starre Konstruktion zu schaffen, die axiale, radiale und tangentiale Kräfte übertragen kann, sowohl bei symmetrischer als auch bei asymmetrischer Belastung eine konzentrische Ringausdehnung ermöglicht und bei der nur geringe Dehnungskräfte auftreten.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Speichen Tangenten an der Mantelfläche eines gedachten, koaxialen Zylinders sind, wobei dessen Durchmesser kleiner als jener des konzentrisch inneren Ringes ist, dass die gedachten, über die beiden Ringe hinaus geradlinig verlängerten Achsen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Speichen sich nur innerhalb des inneren Ringes schneiden, und dass die Speichen in der Längsrichtung entsprechend der einwirkenden Belastung übar die ganze wirksame Länge unelastisch sind.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin au sehen, dass eine völlig freie zentrische Ausdehnung aller Elemente ohne Ver-

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Wendung von radialen elastischen Elementen, wie beispielsweise Federn, ermöglicht wird, Dies erlaubt konstruktiv einfachere und kostenmassig billigere Konstruktionen, da zudem noch das Aufschrumpfen entfällt.

Sind die Speichen an mindestens einem der Ringe gelenkig verankert, so sind die von den Speichen auf die Ringe wirkenden Flieh- und Wärmedehnungskräfte nahezu völlig eliminiert, wodurch sich eine leichtere Konstruktion der letzteren anbietet. 1 Da die Speichen nicht auf Biegung beansprucht werden, kann % auch ihr Querschnitt kleiner dimensioniert werden, was zu einer I beträchtlichen Materialeinsparung führt. Zudem bringt eine ge- \ lenkige Befestigung hinsichtlich Montage und Demontage der Bau- \ teile gegenüber einer starren Befestigung beträchtliche Vorteile. ■

Es ist zweckmässig, wenn die Speichen in der Länge einstellbar sind. Es können dadurch Anfangsexzentrizitäten klein gehalten und die Kreisform der ringförmigen Elemente genau eingestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, wenn einer der Ringe aus einer Mehrzahl über Gelenke miteinander verbundener Segmente I besteht, demnach eine Art Kette bildet. Man hat damit ein Mittel j

ι in der Hand, insbesondere bei sehr langsam laufenden Maschinen

mit hoher Polzahl einen standardisierten Polschuh zu schaffen,

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welcher demzufolge serienmäBsig und kostengünstig herstellbar ist·

Im folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Radialschnittes durch den Läuferkörper einer elektrischen Maschine

Fig. 2 einen Teilquerschnitt der Anordnung nach Fig.

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Rotors zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Fig. 4 einen Teil eines Radialschnittes durch den Läuferkörper eines horizontalachsigen Mühlenantriebes

Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein Schichtkranzrotor einer langsamlaufenden Maschine vertikaler Bauart, welcher als kombinierte Speichen-Scheibenkonstruktion ausgeführt ist. Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise Polschuhe, Schichtbolzen, Maschinenwelle und dergleichen sind nicht dargestellt. Der konzentrisch innere Ring 1 wird von einem

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Blechkörper gebildet, welaher vornehmlich Scheiben 2 aufweist, welch© axial in zwei Ebenen angeordnet sind und jeweils am inneren Umfang 6 an der nur angedeuteten Masohinenwelle ver-Bchweiast sind. Der äussere Ring 2 wird vom Schichtkranz gebildet, welcher aus möglichst langen Segmenten, die mehrere Polteilungen umfassen, gestanzt und verschichtet wird, worauf die Segmente durch Schichtbolzen zu einem vollen Kranz zusammengefügt werden. Schichtkranz und Blechkörper sind mittels ]

ι Speichen 4 verbunden, welche Tangenten an die Mantelfläche ^! eines fiktiven koaxialen Zylinders 7 bilden, dessen Durchmesser ' kleiner ist als der äussere Blechkörperdurchmesser. Die Ver- i ankerungspunkte der Speichen ¹J in den beiden Ringen 1,3 sind gelenkig ausgeführt, was im gezeigten Beispiel durch Gelenkstangen 5 angedeutet ist, welche in nicht gezeigten Führungen eingebettet sind. Die Speichen H selbst sind über annähernd die ganze axiale Rotorlänge sich erstreckende Platten, welche mit den Gelenkstangen verschweisst sind.

Die Wirkungsweise der Erfindung lässt sich anhand des Schemas in Fig. 3 erläutern. Die zwei konzentrischen Ringe und die Speichen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die entsprechenden Teile in den Fig. 1 und 2. Die Verlängerung der Speichen ¹I sind Tangenten zum angedeuteten Zylinder 7- Vom Systemzentrum 8 ausgehend, ist Rj der Radius vom Ring 1, R^ derjenige

vom Ring 3, beide Radialen schliessen den WinkelA ein. oL bezeichn«

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den eingeschlossenen Winkel zwischen R_A und der betrachteten Speiche, welche die Länge L aufweist, Zur Vereinfachung ßoi der Winkel Ύ eingeführt, welcher die arithmetische Summe von (^ und ß darstellt.

Betrachtet sei zunächst eine beispielsweise wärmebedingte, symmetrische Ausdehnung AL der Speichen ¹U Diese Längung wird in eine relative Drehung der beiden Ringe 1,3 umgesetzt, was sich am vorteilhaftesten in einer Aenderung des Winkel β ausdrücken lässt.

Gemäss der Aufgabenstellung wird eine bei allen Belastungen mögliche freie und konzentrische Ringausdehnung verlangt. Bei einzelnen oder auch kombinierten Aenderungen von L,Rj und R^ lässt sich folgende allgemein gültige Beziehung aufstellen:

¹ "" ^i-^ is

Diese Beziehung gilt für die beidseitige gelenkige Verankerung der Speichen ¹J.

Bei symmetrischer Belastung des Gebildes ist die Ausdehnung oder Schrumpfung der ringförmigen Teile immer konzentrisch.

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Werden an beiden Ringen die Verankerungspunkte mit Gelenken versehen, so gehen keine von den Speichen 4 verursachten Kräfte auf die Ringe 1,3 über. Dennoch ist eine einwandfreie Uebertragung von Drehmomenten möglich. Dadurch, dass die Speichen nur auf Zug und Druck beansprucht werden, brauchen sie sinngemäss nur bezüglich dieser Normalkräfte dimensioniert zu werden, welche sich folgendermassen bestimmen:

M F =

N · SiniX · R

hierin bedeuten:

F = auf die einzelne Speiche wirkende Normalkraft M = zu übertragendes Drehmoment N = Anzahl Speichen

R» und Sinusck aus Fig. 3 zu entnehmen.

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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 4. Es handelt sich um den Rotor einer horizontalachsigen, geteilten Maschine, welche Konstruktion insbesondere bei Zementmühleantrieben vorkommt. Während des Betriebes unterliegen derartige ausgesprochen langsamlaufende Rotoren bekanntlich weniger Fliehkraft spannungen, als vielmehr extremen, teils asymmetrischen Wärmedehnungskräften. Letztere können in den Polradkränzen

Spannungen in einem solchen Masse induzieren, dass die Verbinden

dung in der Trennebene gesprengt werden können. Wegen der niedrigen Drehzahl werden derartige Rotoren in der Regel über Frequenzumformer mit einem Strom niedriger Frequenz angespiesen (^5 Hz), um die Polzahl in vernünftigen Grenzen zu halten. In der Fig. 4 nicht gezeigt ist die Trommel; der konzentrisch innere Ring 1' wird gebildet durch den Trommelflansch, der über vierzig gleichmässig am Umfang verteilte Speichen V den Schichtkranz trägt. Die Speichen 4' sind sowohl im Schichtkranz als auch im Trommelflansch in Gelenken 5' verankert, ihre Verlängerungen bilden Tangenten an der Mantelfläche eines koaxialen Zylinders 7« Die Speichen V sind Rundstäbe, wobei nicht gezeigt ist, dass sie in der Länge einstellbar sind, was beispielsweise durch Anbringen von links- und rechtsgängigen Gewindeenden erfolgen kann. Diese Längeneinstellung ermöglicht es, montagebedingte Anfangs-Exentriaitäten auf ein Minimum zu reduzieren und die genaue Kreisform des Rotors zu gewährleisten. Der mit zwanzig Polpaaren versehene Schichtkranz besteht aus vierzig, über Qe-

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lenke 9 miteinander verbundenen Segmenten 10 und bildet gemäss der Erfindung das konzentrisch äussere Polygon 3. Eine derartige, als Kettenrotor zu bezeichnende Kranzanordnung bildet in Verbindung mit dem Trommelflansch und den mindestens am Kranz selbst gelenkig verankerten Speichen 4' ein starres Gebilde; einmal, weildurch die Gelenke keine Biegung im Kranz vorliegt, und zum anderen, weil die am Rotor angreifenden Kräfte und Momente in Komponenten zerlegt werden, die in Richtung der Speichenachsen wirken und demzufolge eine relative Drehung zwischen Kranz und Trommelflansch verursachen. Dies ist besonders vorteilhaft für den Trommelhersteller, der zukünftig Kräfte, welche vom Rotor auf die Trommel wirken, bei der Auslegung der letzteren nicht mehr zu berücksichtigen braucht. Ein weiterer Vorteil des Kettenrotors ist darin zu sehen, dass bei Geometrieänderungen immer der gleiche Poltyp zur Verwendung gelangen kann, wobei nur die Anzahl Polpaare variiert wird und mit der gewünschten Drehzahl die erforderliche anzuspeisende Frequenz über den Umformer angepasst wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte beschränkt, In Abweichung zu den gezeigten gelenkigen Speichenverbindungen könnten diese auch fest, beispielsweise durch Verschrauben oder Verschweissen, ausgeführt werden. Infolge der relativen Drehung der Ringe erfahren die Speichen eine leichte Biegung, und die Winkeländerung Aß wird etwas geringer

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als bei gelenkiger Anordnung. Da die Speichen wegen Knickgefahr vorzugsweise eine Profilform mit relativ hohem Trägheitsmoment aufweisen, können die Enden voll ausgeführt werden, müssen jedoch ein möglichst kleines Trägheitsmoment um die Biegeachse
aufweisen. Somit kann die Biegung auf die Enden der Speichen
lokalisiert werden. Eine besonders einfache Lösung, diese Enden biegeweich zu gestalten, besteht in der Verwendung von Hohlprofilen als Speichen. Ueber die wirksame, tragende Länge weisen
dieselben einen dünnwandigen Querschnitt mit relativ hohem Trägheitsmoment auf; an den Verankerungspunkten wird das Hohlprofil zu einem Flachprofil zusammengedrückt, wobei der tragende Querschnitt der gleiche bleibt, das Trägheitsmoment um die Biegeachse jedoch stark verringert wird.

Die erfindungsgemässen Ringe können von polygonaler-oder Kreisform sein, sofern die zum jeweiligen Ring gehörenden Verankerungspunkte auf einem Kreis liegen.

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Claims

3,2 Schutz an Sprüche

1. Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere vertikaler Bauart, wobei Zentralkörper und Polradkranz des Rotors zwei konzentrische Ringe bilden, welche mittels einer .Mehrzahl gleichmässig über den Umfang angeordneter Speichen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (4,V) Tangenten an der· Mantelfläche eines gedachten, koaxialen Zylinders (7) sind, wobei dessen Durchmesser kleiner als jener des konzentrisch inneren Ringes (1,I¹) ist, dass die gedachten, über die beiden Ringe (1,I¹, 3,3') hinaus geradlinig verlängerten Achsen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Speichen (4,4')sich nur innerhalb des inneren Ringes (1,1') schneiden, und dass die Speichen (4,V) in der Längsrichtung entsprechend der einwirkenden Belastung über die ganze wirksame Länge unelastisch sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (4,V) an mindestens einem der Ringe (1,1 ',3,3') gelenkige Verankerungspunkte aufweisen.

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (4,V) in der Länge einstellbar sind.

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Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Ringe (1,1'»3>3') aus einer Mehrzahl über Gelenke (9) miteinander verbundener Segmente (10) besteht.

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