WO2023006367A1 - Rotor für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2023006367A1
WO2023006367A1 PCT/EP2022/068723 EP2022068723W WO2023006367A1 WO 2023006367 A1 WO2023006367 A1 WO 2023006367A1 EP 2022068723 W EP2022068723 W EP 2022068723W WO 2023006367 A1 WO2023006367 A1 WO 2023006367A1
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rotor
rim
support structure
ventilation openings
poles
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Inventor
Daniel Ludwig
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/325—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium between salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a rotating electrical machine.
  • the rotor is designed as a salient-pole rotor.
  • the electric machine can be a generator, motor or motor-generator.
  • Salient pole rotors can be constructed from solid steel and have salient pole shoes on which the excitation winding is located. In larger machines, the rotor hub is usually built up in layers. The poles are attached to the rotor hub by means of one or more hammerhead-like grooves.
  • the rotor For large machines, an arrangement has also become known in which the rotor consists of a rotor rim and a support structure, the rotor rim being connected to the shaft by means of the support structure. Such an arrangement is disclosed in CN 101752917 B.
  • the rotor rim is made up of several ring disks stacked on top of one another. Between the washers are trestles (No. 8 in the drawings) and ventilation baffles (No. 7 in the drawings).
  • Ventilator plates are designed in two parts (nos. 9 and 10 in FIG. 1), and one part of each ventilation baffle plate is connected to the adjacent ring disk by welding.
  • Polygonal grooves (No. 13 in Figure 3) and projections (No. 14 in Figure 3) in the adjacent ring disks are used to align the ventilation baffles.
  • the object of the invention is to specify an alternative embodiment of a rotor for an electrical machine.
  • Fig. 1 Section parallel to the axis through a rotor according to the invention
  • FIG. 1 shows a rotor according to the invention in a schematic representation in a section parallel to the axis.
  • the dashed line on the left of Figure 1 indicates the axis of rotation of the rotor.
  • Figure 1 shows only one half of the rotor.
  • the rotor comprises a shaft which is denoted by 1 and a rotor rim which is denoted by 3 . Between the shaft 1 and the rotor rim 3 there is a support structure which is denoted by 2 and which connects the shaft 1 to the rotor rim 3 .
  • the carrier structure 2 comprises a multiplicity of carriers which are arranged in at least two planes in the axial direction, the planes being arranged perpendicularly to the rotor axis.
  • the support structure 2 shown in FIG. 1 comprises three levels of supports.
  • the rotor also includes a large number of rotor poles, which are arranged on the outer circumference of the rotor rim 3 .
  • a rotor pole is shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a rotor according to the invention in a schematic representation in a section perpendicular to the rotor axis.
  • rotor axis is marked by small dotted cross.
  • Figure 2 shows only one half of the rotor.
  • the designations correspond to the designations of FIG. 1.
  • the carriers of the carrier structure 2 are arranged in a star shape. In this case, open spaces extend between the individual carriers. Intermediate spaces also extend between the planes in which the carriers are arranged in the axial direction (see FIG. 1).
  • the rotor poles 4 are connected to the rotor rim 3 by means of hammerhead-like grooves and corresponding projections. Such a connection is also referred to as a claw connection.
  • connection of the rotor poles 4 with the rotor ring 3 can be realized in any way known from the prior art.
  • a number of hammerhead-like slots per rotor pole 4 are generally used, for example three axially oriented hammerhead slots per rotor pole 4 lying next to one another.
  • the support structure 2 acts on the inner edge of the rotor rim 3 at points at which a rotor pole 4 is arranged opposite on the outer edge.
  • the connection points of the support structure 2 with the rotor rim 3 are arranged in such a way that a rotor pole 4 is arranged in each case in the radial extension of these connection points to the outside.
  • the rotor rim 3 shown in FIG. 2 comprises a multiplicity of ventilation openings, one of which is labeled 5 .
  • the ventilation openings 5 extend from the inner to the outer edge of the rotor rim 3.
  • the mouth of each ventilation opening is arranged on the outer edge of the rotor rim 3 between two adjacent rotor poles 4 each.
  • FIG. 2 shows three ventilation openings 5 per space between two adjacent rotor poles 4.
  • the number of ventilation openings per space is arbitrary. It is advantageous if at least one ventilation opening is provided per space.
  • the central ventilation openings 5 each run radially, while the two ventilation openings 5 to the left and right thereof run offset parallel to a radius.
  • the ventilation openings 5 can be of any shape. The simplest way, however, is for the ventilation openings 5 to be implemented as a bore. In this case, the ventilation openings 5 are therefore of cylindrical design.
  • FIG. 3 shows a rotor according to the invention in a schematic representation in a section parallel to the axis.
  • the sectional plane is chosen such that it runs through ventilation openings 5 .
  • the sectional plane of the illustration according to FIG. 3 therefore goes through an intermediate space between two rotor poles.
  • the ventilation openings 5 are arranged in the axial direction in several planes perpendicular to the rotor axis.
  • the number of levels is arbitrary and depends only on the given by the electrical machine Boundary conditions, ie the cooling requirements of the electric machine. It can be advantageous if the distance between the planes is not constant, as shown in FIG. 3, but varies in the axial direction. As a result, the cooling capacity can be designed to be variable in the axial direction, should the boundary conditions of the electrical machine in question make this necessary.
  • the dashed arrow shown indicates, by way of example, a possible path which an air flow cooling the rotor could take.
  • the rotor according to the invention is designed in such a way that an air flow can enter the space between the supports of the support structure 2 in the axial direction on the outside and leave the rotor in the radial direction on the outside through the ventilation openings 5 in order to cool the rotor.
  • the rotor rim 3 is made in one piece. This is preferably a forged piece of material. Alternatively, a cast part can also be used.
  • the rotor according to the invention is distinguished from the rotors known from the prior art by greater strength with equally good cooling properties.

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Abstract

Rotor für eine elektrische Maschine mit einer Welle (1), einer Trägerstruktur (2), einem Rotorkranz (3) und einer Vielzahl von Rotorpolen (4), wobei die Rotorpole am äußeren Umfang des Rotorkranzes angeordnet sind, und wobei der Rotorkranz aus einem Stück gefertigt ist, und wobei die Trägerstruktur am inneren Rand des Rotorkranzes an Stellen angreift, an denen in radialer Verlängerung am äußeren Rand des Rotorkranzes jeweils ein Rotorpol angeordnet ist, und wobei der Rotorkranz eine Vielzahl von Lüftungsöffnungen (5) umfasst, welche sich vom inneren zum äußeren Rand des Rotorkranzes erstrecken, und wobei eine Mündung einer jeden Lüftungsöffnung am äußeren Rand des Rotorkranzes zwischen je zwei benachbarten Rotorpolen angeordnet ist, so dass ein Luftstrom in axialer Richtung außen in den Zwischenraum zwischen den Trägern der Trägerstruktur eintreten und den Rotor in radialer Richtung außen durch die Lüftungsöffnungen verlassen kann, um den Rotor zu kühlen.

Description

Rotor für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine. Dabei ist der Rotor als Schenkelpolläufer ausgebildet. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Generator, Motor oder Motor-Generator handeln.
Schenkelpolläufer können aus massivem Stahl gebaut werden und haben ausgeprägte Polschuhe, auf denen sich die Erregerwicklung befindet. Bei größeren Maschinen wird die Läufernabe üblicherweise geschichtet aufgebaut. Dabei werden die Pole mittels ein oder mehreren hammerkopfartigen Nuten an der Läufernabe befestigt.
Für große Maschinen ist auch eine Anordnung bekannt geworden, bei der der Rotor aus einem Rotorkranz und einer Trägerstruktur besteht, wobei der Rotorkranz mittels der Trägerstruktur mit der Welle verbunden ist. Eine solche Anordnung offenbart die CN 101752917 B. Der Rotorkranz ist dabei aus mehreren übereinandergeschichteten Ringscheiben aufgebaut. Zwischen den Ringscheiben sind Stützböcke (Nr. 8 in den Zeichnungen) und Lüftungsleitbleche (Nr. 7 in den Zeichnungen) angeordnet.
Eine weitere solche Anordnung offenbart die CN 109921526 B, bei der die Lüftungsleitbleche zweitteilig ausgeführt (Nr. 9 und 10 in Figur 1) sind, und wobei jeweils ein Teil eines Lüftungsleitbleches mit dem benachbarten Ringscheiben durch Schweißen verbunden ist. Zur Ausrichtung der Lüftungsleitbleche dienen dabei polygonale Nuten (Nr. 13 in Figur 3) und Vorsprünge (Nr. 14 in Figur 3) in den benachbarten Ringscheiben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Ausführungsform eines Rotors für eine elektrische Maschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 Achsparallel Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor
Fig. 2 Schnitt senkrecht zur Achse durch einen erfindungsgemäßen Rotor
Fig. 3 Achsparallel Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor in schematischer Darstellung in einem achsparallelen Schnitt. Die gestrichelte Linie auf der linken Seite von Figur 1 deutet die Drehachse des Rotors an. Figur 1 zeigt nur die eine Hälfte des Rotors. Der Rotor umfasst eine Welle, welche mit 1 bezeichnet ist und einen Rotorkranz, welcher mit 3 bezeichnet ist. Zwischen der Welle 1 und dem Rotorkranz 3 ist eine Trägerstruktur angeordnet, welche mit 2 bezeichnet ist und welche die Welle 1 mit dem Rotorkranz 3 verbindet. Die Trägerstruktur 2 umfasst eine Vielzahl von Trägern, welche in axialer Richtung in wenigstens zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die Ebenen senkrecht zur Rotorachse angeordnet sind. Die in Figur 1 dargestellte Trägerstruktur 2 umfasst drei Ebenen von Trägern. Der Rotor umfasst ferner eine Vielzahl von Rotorpolen, welche am äußeren Umfang des Rotorkranzes 3 angeordnet sind. In Figur 1 ist ein Rotorpol dargestellt und mit 4 bezeichnet.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor in schematischer Darstellung in einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse. Dabei ist die Rotorachse durch das kleine gestrichelte Kreuz angedeutet. Figur 2 zeigt nur eine Hälfte des Rotors. Die Bezeichnungen entsprechen den Bezeichnungen von Figur 1. Aus Figur 2 geht hervor, dass die Träger der Trägerstruktur 2 sternförmig angeordnet sind. Dabei erstrecken sich zwischen den einzelnen Trägern offene Zwischenräume. Auch zwischen den Ebenen, in denen die Träger in axialer Richtung angeordnet sind, erstrecken sich Zwischenräume (siehe Figur 1). Die Rotorpole 4 sind mit dem Rotorkranz 3 mittels hammerkopfartigen Nuten und entsprechenden Vorsprüngen verbunden. Eine solche Verbindung wird auch als Klauenverbindung bezeichnet. Die Verbindung der Rotorpole 4 mit dem Rotorkranz 3 kann auf jede aus dem Stand der Technik bekannte Weise realisiert sein. Bei sehr großen elektrischen Maschinen kommen in der Regel mehrere hammerkopfartige Nuten pro Rotorpol 4 zum Einsatz, beispielsweise drei axial orientierte nebeneinander liegende Hammerkopfnuten pro Rotorpol 4.
Erfindungsgemäß greift die Trägerstruktur 2 am inneren Rand des Rotorkranzes 3 an Stellen an, an denen gegenüber am äußeren Rand jeweils ein Rotorpol 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Verbindungsstellen der Trägerstruktur 2 mit dem Rotorkranz 3 sind so angeordnet, dass in radialer Verlängerung dieser Verbindungsstellen nach außen jeweils ein Rotorpol 4 angeordnet ist.
Der in Figur 2 dargestellte Rotorkranz 3 umfasst eine Vielzahl von Lüftungsöffnungen, von denen eine mit 5 bezeichnet ist. Die Lüftungsöffnungen 5 erstrecken sich dabei vom inneren zum äußeren Rand des Rotorkranzes 3. Erfindungsgemäß ist die Mündung einer jeden Lüftungsöffnung am äußeren Rand des Rotorkranzes 3 zwischen je zwei benachbarten Rotorpolen 4 angeordnet. Figur 2 zeigt jeweils drei Lüftungsöffnungen 5 pro Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Rotorpolen 4. Die Anzahl der Lüftungsöffnungen pro Zwischenraum ist dabei jedoch beliebig. Es ist von Vorteil, wenn wenigsten eine Lüftungsöffnung pro Zwischenraum vorgesehen ist. In Figur 2 verlaufen die mittleren Lüftungsöffnungen 5 jeweils radial, während die beiden links und rechts davon liegenden Lüftungsöffnungen 5 zu einem Radius parallelversetzt verlaufen. Im Prinzip können die Lüftungsöffnungen 5 beliebig geformt sein. Am einfachsten können die Lüftungsöffnungen 5 jedoch als Bohrung realisiert werden. In diesem Fall sind die Lüftungsöffnungen 5 also zylinderförmig ausgebildet.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor in schematischer Darstellung in einem achsparallelen Schnitt. Im Gegensatz zu Figur 1 ist die Schnittebene jedoch so gewählt, dass dieselbe durch Lüftungsöffnungen 5 verläuft. Die Schnittebene der Darstellung gemäß Figur 3 geht durch daher durch einen Zwischenraum zwischen zwei Rotorpolen. Aus Figur 3 geht hervor, dass die Lüftungsöffnungen 5 in axialer Richtung in mehreren Ebenen senkrecht zur Rotorachse angeordnet sind. Die Anzahl der Ebenen ist dabei beliebig und hängt nur von den durch die elektrische Maschine gegebenen Randbedingungen ab, d.h. von den Kühlanforderungen der elektrischen Maschine. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn der Abstand zwischen den Ebenen nicht konstant ist, wie in Figur 3 dargestellt, sondern in axialer Richtung variiert. Dadurch kann die Kühlleistung in axialer Richtung variabel gestaltet werden, falls dies die Randbedingungen der betreffenden elektrischen Maschine erforderlich machen sollten.
In Figur 3 deutet der dargestellte gestrichelte Pfeil beispielhaft einen möglichen Pfad an, welchen ein den Rotor kühlender Luftstrom nehmen könnte. D.h. der erfindungsgemäße Rotor ist so ausgebildet, dass ein Luftstrom in axialer Richtung außen in den Zwischenraum zwischen den Trägern der Trägerstruktur 2 eintreten und den Rotor in radialer Richtung außen durch die Lüftungsöffnungen 5 verlassen kann, um den Rotor zu kühlen. Es ist klar dass sich der axial eintretende Luftstrom so verzweigt, dass der Austritt des Luftstroms durch alle Lüftungsöffnungen simultan erfolgt. In Figur 3 wird nur einer dieser Pfade beispielhaft durch den gestrichelten Pfeil angedeutet.
Erfindungsgemäß ist der Rotorkranz 3 aus einem Stück gefertigt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein geschmiedetes Materialstück. Alternativ kann auch ein Gußteil verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren durch eine größere Festigkeit bei gleich guten Kühleigenschaften aus.
Bezugszeichenliste
1 Welle
2 Trägerstruktur 3 Rotorkranz
4 Rotorpol
5 Lüftungsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Rotor für eine elektrische Maschine mit einer Welle (1 ), einer Trägerstruktur (2), einem Rotorkranz (3) und einer Vielzahl von Rotorpolen (4), wobei die Trägerstruktur (2) zwischen der Welle (1) und dem Rotorkranz (3) angeordnet ist und den Rotorkranz (3) mit der Welle verbindet, und wobei die Rotorpole (4) am äußeren Umfang des Rotorkranzes (3) angeordnet sind, und wobei die Trägerstruktur (2) eine Vielzahl von Trägern umfasst, welche in axialer Richtung in wenigstens zwei Ebenen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkranz (3) aus einem Stück gefertigt ist, und wobei die Trägerstruktur (2) am inneren Rand des Rotorkranzes (3) an Stellen angreift, an denen in radialer Verlängerung am äußeren Rand des Rotorkranzes (3) jeweils ein Rotorpol (4) angeordnet ist, und wobei der Rotorkranz (3) eine Vielzahl von Lüftungsöffnungen (5) umfasst, welche sich vom inneren zum äußeren Rand des Rotorkranzes (3) erstrecken, und wobei eine Mündung einer jeden Lüftungsöffnung (5) am äußeren Rand des Rotorkranzes (3) zwischen je zwei benachbarten Rotorpolen (4) angeordnet ist, so dass ein Luftstrom in axialer Richtung außen in den Zwischenraum zwischen den Trägern der Trägerstruktur (2) eintreten und den Rotor in radialer Richtung außen durch die Lüftungsöffnungen (5) verlassen kann, um den Rotor zu kühlen.
2. Rotor nach Anspruch 1 , wobei wenigstens eine Lüftungsöffnung (5) zwischen je zwei benachbarten Rotorpolen (4) angeordnet ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lüftungsöffnungen (5) zylinderförmig ausgebildet sind.
4. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lüftungsöffnungen (5) radial verlaufen.
5. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lüftungsöffnungen (5) zu einem Radius parallelversetzt verlaufen.
6. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lüftungsöffnungen (5) in axialer Richtung in mehreren Ebenen senkrecht zur Rotorachse angeordnet sind.
7. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotorkranz (3) aus geschmiedetem Material besteht.
8. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotorkranz (3) aus gegossenem
Material besteht
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