CH695973A5

CH695973A5 - Rotor für eine elektrische Maschine.

Info

Publication number: CH695973A5
Application number: CH01408/02A
Authority: CH
Inventors: Alain Lacaze
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2006-10-31
Also published as: CN1698248A; EP1529332A1; JP2005536175A; WO2004017493A1; AU2003285623A1; US20050184614A1; JP4431037B2; CN1698248B; US7342341B2

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, umfassend einen Rotorkern mit axialen Schlitzen für die Aufnahme von Leitern. Ausserdem bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Montage eines derartigen Rotors.

Stand der Technik

[0002] Das rotierende Feld einer elektrischen rotierenden Maschine wird von einem Rotorkern erzeugt, welcher Nuten aufweist, in welche Wicklungen von elektrischen Leitern eingelegt werden. Normalerweise ist ein derartiger Rotorkern aus Stahl gefertigt, während die Wicklungen aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Material hergestellt sind.

Das Feld wird erzeugt, indem diese Wicklungen mit einem Gleichstrom angesteuert werden, welcher entweder separat erzeugt wird und dann mit den Leitern über Bürsten an der Welle des Rotors kontaktiert wird, oder welcher direkt auf der Welle erzeugt wird in einer so genannten bürstenlosen Erregung.

[0003] Infolge der hohen zentrifugalen Kräfte, welche von einem derartigen Rotor und seinen Komponenten ausgehalten werden müssen, ist es äusserst wichtig, die Leiter fest am Rotorkern zu befestigen.

Gleichzeitig ist es auch wichtig, eine effiziente Kühlung dieser Leiter zu gewährleisten wegen der Hitze, die in den Leitern beim Betrieb erzeugt wird.

[0004] Normalerweise wird entsprechend ein Rotor hergestellt, indem Nuten vorgesehen werden, indem die Leiter in diese Nuten aus radialer Richtung eingelegt werden und indem anschliessend auf der radial äusseren, peripheren Seite diese Nuten mit Hilfe von Keilen oder Ringen abgeschlossen werden und dadurch gleichzeitig die Leiter in Bezug auf zentrifugale Kräfte fixiert werden. Der Stapel von Leitern wird so in radialer Richtung durch diese Keile oder Ringe zurückgehalten.

Die Kühlung von derartigen Anordnungen wird dadurch erreicht, dass entweder zwischen den Leitern und den Seitenwänden der Nuten Zwischenräume freigelassen werden, oder indem axiale und/oder radiale Löcher im Leiter oder zwischen den Leitern angeordnet sind, durch welche Kühlgas zirkuliert wird. Eine derartige Anordnung ist z.B. in der CH 638 349 oder in der CH 649 422 beschrieben.

Darstellung der Erfindung

[0005] Das objektive, der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem liegt entsprechend darin, eine alternative, einfache und zuverlässige Konstruktion eines Rotors zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Leiter der Wicklungen gut fixiert sind und welcher in der Lage ist, hohe Felder zu erzeugen.

Dies für einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine mit Aussparungen zwischen den Polen zur Aufnahme von axialen Leitern.

[0006] Die vorliegende Erfindung löst das genannte Problem, indem axiale Schlitze in den Aussparungen unter Ausbildung von ersten Mitteln ausgeformt sind, und indem die axialen Leiter mit entsprechenden zweiten Mitteln ausgeformt sind, wobei die ersten Mittel und die zweiten Mittel in Wirkverbindung stehen, sodass die axialen Leiter in den axialen Schlitzen insbesondere in Bezug auf zentrifugale und Torsionskräfte fixiert werden.

[0007] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist entsprechend ein Rotor gemäss Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäss Anspruch 14.

[0008] Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt entsprechend darin, anstatt einfach die Leiter in Nuten im Rotorkern einzulegen,

die Aussparungen durch die genannten Schlitze zu strukturieren, wobei in diesen Schlitzen erste Mittel vorgesehen sind, welche eine direkte Befestigung der axialen Leiter erlauben. Um dies zu ermöglichen, sind die Leiter entsprechend mit zweiten Mitteln strukturiert, welche durch Wechselwirkung mit den ersten Mitteln eine unmittelbare Fixierung der Leiter in den Schlitzen erlauben. Während nach dem Stand der Technik die Leiter normalerweise in den Nuten fixiert werden, indem spezielle Keile oder Ringe vorgesehen werden, welche oben auf den Leitern (periphere Seite) eingefügt werden, und welche Keile/Ringe entsprechend die gesamte zentrifugale Last, welche bei Betrieb durch die Leiter erzeugt wird, tragen, wird in diesem Fall die zentrifugale Last beim Betrieb des Rotors direkt durch Wechselwirkung der ersten Mittel mit den zweiten Mitteln getragen.

Entsprechend sind keine zusätzlichen Teile wie Keile oder Ringe erforderlich, was die Kosten reduziert und ausserdem kann infolge der direkten Fixierung der Leiter am Rotorkern eine einfache, widerstandsfähige Konstruktion zur Verfügung gestellt werden, welche einfach zusammenzusetzen und zu unterhalten ist. Weiterhin werden die Leiter einen grösseren Querschnitt als normalerweise aufweisen, was eine Niedervolt-Isolierung erlaubt. Die Isolation zwischen benachbarten Leitern, welche in benachbarten Schlitzen angeordnet sind, kann durch einen Luftspalt/Schlitz gewährleistet werden, durch welchen Kühlluft geführt wird.

[0009] In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die ersten Mittel in Form von Schultern in den Schlitzen ausgebildet.

Diese Schultern verfügen über wenigstens eine Fläche, welche eine Auflage der zweiten Mittel in radialer Richtung erlaubt, wodurch eine direkte Möglichkeit der Aufnahme der zentrifugalen Kraft, welche auf die Leiter wirkt, gegeben wird. Vorzugsweise erstrecken sich diese Schultern im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Schlitze (indem vorzugsweise Flächen zur Verfügung gestellt werden, welche tangential zur Achse der Welle verlaufen), und sind bevorzugt symmetrisch auf beiden Seiten dieser Schlitze angeordnet. Entsprechend sind die zweiten Mittel ausgeformt, um mit diesen Schultern in den Schlitzen in Wechselwirkung zu treten. Die zweiten Mittel sind in Form von Aussparungen (oder Schultern) in den axialen Leitern ausgebildet, welche ihrerseits auf die genannten Schultern der Schlitze zu liegen kommen.

Vorzugsweise erstrecken sich diese Aussparungen im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Leiter und sind bevorzugt symmetrisch auf beiden Seiten dieser axialen Leiter angeordnet. Eine besonders einfache Konstruktion ist möglich, wenn die ersten und zweiten Mittel nahe bei der Welle angeordnet sind, d. h. nahe am Boden dieser Aussparungen zwischen den Polzonen. Dies ist z.B. möglich, wenn, wie bevorzugt, die Aussparungen in den Leitern im radial inneren Bereich (in Bezug auf den Rotor) der axialen Leiter angeordnet sind, und entsprechend die Schultern in den Schlitzen nahe am Boden der Aussparungen des Rotors, d.h. nahe bei der Achse des Rotors angeordnet sind. Die axialen Leiter können dann wesentlich aus diesen Schlitzen in die Aussparungen hervorragen (freistehende Leiter) und bündig mit dem Durchmesser enden, welcher dem Aussendurchmesser der Polzonen entspricht.

Zwischen benachbarten Leitern in benachbarten Schlitzen verbleibt dabei ein Zwischenraum in der peripheren, hervorstehenden Region der Leiter.

[0010] Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Schlitze als Schwalbenschwanz-Schlitze im Rotorkern ausgebildet sind (T-förmig oder V-förmig oder ähnlich), und dass die axialen Leiter einen entsprechenden Schwalbenschwanzbereich aufweisen (entsprechend ebenfalls T-förmig oder V-förmig oder ähnlich), welcher in die genannten Schwalbenschwanz-Schlitze hineinpasst. Insbesondere T-förmige Schlitze, d.h. Schlitze mit zwei symmetrischen Schultern auf beiden Seiten, können einfach aus einem geschmiedeten Schaft hergestellt werden und erlauben eine gute und feste Befestigung der Leiter.

Die entsprechende T-Form an den Leitern kann ebenfalls einfach gefräst oder gezogen werden.

[0011] Eine ganz besonders einfache Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein einziger axialer Leiter in einem axialen Schlitz angeordnet ist (nach dem Stand der Technik werden normalerweise mehrere Leiter in einer Nut angeordnet), und dass insbesondere bevorzugt die radiale Höhe (d. h. in radialer Richtung) der axialen Leiter wesentlich grösser ist als deren umfangsmässige Weite (welche wenigstens im unteren Teil im Wesentlichen der Breite des Schlitzes entspricht). Vorzugsweise haben die Leiter dabei eine trapezoidale Form, d. h. der axiale Leiter ist auf der radial inneren Seite schmaler auf der radial äusseren Seite.

Ein einziger Leiter ist dann nur in radialer Richtung angeordnet für eine gegebene Winkelposition des Rotors.

[0012] Eine andere besonders einfache Konstruktion eines Rotors nach der Erfindung erlaubt es, die axialen Leiter in den Rotorkern in die axialen Schlitze in einer axialen Richtung bezüglich des Rotors einzuschieben.

Dies insbesondere dann, wenn sich die ersten Mittel als auch die zweiten Mittel entlang des ganzen Schlitzes und entlang des ganzen Leiters erstrecken, was auf der einen Seite einen festen und unmittelbaren Kontakt zwischen dem Rotorkern und den Leitern erlaubt, und gleichzeitig eine einfache Herstellung und ein einfaches Zusammensetzen ermöglicht.

[0013] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der axialen Schlitze wesentlich kleiner ist als die freistehende radiale Höhe der axialen Leiter, d.h. dass die axialen Leiter aus den Schlitzen im Rotorkern herausragen in jene Bereiche, wo sich die Aussparungen für die Leiter befinden.

Vorzugsweise werden diese hervorstehenden Anteile der axialen Leiter, zwischen welchen ein tiefer Zwischenraum verbleibt (welcher die elektrische Isolation sichergestellt und die Zirkulation von Kühlluft erlaubt) in dieser Situation, relativ zueinander fixiert und ebenfalls bezüglich der Pole des Rotorkerns, wo keine Leiter angeordnet sind.

Dies wird dadurch erreicht, das auf der radial äusseren Seite dritte Mittel angeordnet sind zwischen benachbarten axialen Leitern, um diese in einem bestimmten Abstand zu halten und um diese Leiter in umfangsmässiger Richtung zu stabilisieren.

[0014] Vorzugsweise sind die dritten Mittel in Form von Keilen oder Stäben ausgebildet, welche mit Aussparungen wechselwirken, die in den axialen Leitern vorgesehen sind, wobei sich vorzugsweise diese Keile im Wesentlichen entlang der Länge der axialen Leiter erstrecken, sodass zwischen dem Rotorkern und den Keilen axiale Kanäle für die Zirkulation von Kühlluft verbleiben. Optional weisen die Keile zusätzlich radiale Bohrungen auf oder sind teilweise unterbrochen, um eine wenigstens teilweise Zirkulation von Kühlluft in radialer Richtung zu erlauben.

Diese Bauweise erlaubt eine besonders effiziente Kühlung des Rotors.

[0015] In Bezug auf das Material, aus welchem die axialen Leiter und deren Endverbindungen gefertigt sind, kommen Aluminium oder Kupfer in Frage oder Legierungen, basierend auf wenigstens einem dieser Metalle. Vorzugsweise ist ein einziger axialer Leiter in einem axialen Schlitz angeordnet, wobei ein axialer Leiter einen Querschnitt im Bereich von 1000 bis 4500 mm<2>, vorzugsweise im Bereich von 2000 bis 4000 mm<2> aufweist.

[0016] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind am Rotor leiterfreie Zonen (Polzonen) angeordnet, um welche die Leiter in wenigstens einer Wicklung gewickelt sind, wobei die axialen Bereiche der Wicklungen von den genannten axialen Leitern gebildet werden, welche in den genannten axialen Schlitzen angeordnet sind,

und wobei die radialen Bereiche der Wicklungen durch wenigstens eine Endverbindung (normalerweise in der Form eines Ringsegments) gebildet wird, welche endseitig ausserhalb der Polzonen angeordnet sind, d. h. benachbart zu diesen. Diese wenigstens eine Endverbindung ist ebenfalls mit zweiten Mitteln zur Wechselwirkung mit den ersten Mitteln versehen, um die Endverbindungen in den axialen Schlitzen insbesondere in Bezug auf zentrifugale und Torsionskräfte zu fixieren. Die Schlitze im Rotorkern sind länger als die axialen Leiter, was es erlaubt, auch die Endverbindungen in diesen Schlitzen zu befestigen unter Zuhilfenahme der Schultern, welche in den Schlitzen vorgesehen sind.

Die Endverbindungen in analoger Weise zu befestigen wie die axialen Leiter weist den Vorteil auf, dass Verschiebungen von Leitern (sowohl axiale Leiter als auch Endverbindungen) infolge von Rotationskräften oder Torsionskräften gleich sind sowohl für die axialen Leiter als auch für die Endverbindungen. Dies vermeidet Belastungen an den Verbindungen zwischen den Endverbindungen und den axialen Leitern. Um die Stabilisierung dieser Endverbindungen zu verbessern, ist es möglich, zusätzlich weitere axiale Schlitze mit ersten Mitteln endseitig ausserhalb der leiterfreien Zonen anzuordnen, wobei entsprechend weitere zweite Mittel an der wenigstens einen Endverbindung angeordnet sind. Bevorzugt sind diese ersten Mittel in Form von Schultern ausgebildet, wie sie oben beschrieben sind, welche sich vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten der Schlitze erstrecken.

Dementsprechend sind die zweiten Mittel in Form von entsprechenden, senkrecht zur Hauptrichtung der Endverbindungen verlaufenden Aussparungen in Vorsprüngen (welche wellenseitig am Ringsegment angeordnet sind) der Endverbindungen ausgebildet.

[0017] Eine besonders einfache Konstruktion auch der Endverbindungen ist möglich, wenn diese Endverbindungen einzelne Leiter sind mit gleicher Höhe wie die einzelnen (pro Schlitz) axialen Leiter, wobei vorzugsweise die radiale Höhe der Endverbindungen wesentlich grösser ist als deren axiale Weite.

Wenn nur eine Wicklung vorhanden ist, ist nur eine Endverbindung auf jeder Seite der Polzonen nötig, wenn mehrere Wicklungen vorhanden sind, sind die Endverbindungen parallel zueinander und senkrecht zur Hauptachse der Welle angeordnet.

[0018] Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Endverbindungen leitend mit den axialen Leitern verbunden unter Zuhilfenahme von Stiften oder Schrauben. Die Verbindung kann auch geschweisst, hartgelötet oder verklebt werden, vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines leitenden Klebers. Ebenso können Kombinationen der genannten Verbindungsmittel verwendet werden.

Beispielsweise kann die Kombination von Stiften oder Schrauben mit einem leitenden Kleber eine besonders einfache und zuverlässige Verbindung zwischen den Endverbindungen und den axialen Leitern ermöglichen.

[0019] Vorzugsweise werden nicht nur die axialen Leiter in den Rotorkern aus axialer Richtung eingeschoben, sondern es können auch die Endverbindungen aus axialer Richtung in den Rotorkern in die axialen Schlitze geschoben werden.

[0020] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0021] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Montage eines Rotors, wie er oben beschrieben ist. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass einzelne massive axiale Leiter aus axialer Richtung in den Rotorkern in die axialen Schlitze eingeschoben werden.

Dieses Zusammensetzen ist besonders einfach und stellt inhärent eine sehr stabile Verbindung zwischen dem Rotorkern und den Leitern zur Verfügung. Die axialen Leiter können zusätzlich in den Schlitzen fixiert werden unter Zuhilfenahme von Keilen oder aufblasbaren Schläuchen, welche die Schultern der zweiten Mittel, die an den axialen Leitern vorgesehen sind, an die entsprechenden ersten Mittel, d.h. z.B. ebenfalls Schultern, die an den Schlitzen des Rotorkerns angeordnet sind, anpressen. Dies ergibt eine Vorspannung gegen die zentrifugalen Kräfte.

Wegen der kleinen Zahl von Teilen und weil keine speziellen Werkzeuge erforderlich sind, kann eine derartige Zusammenfügung auch einfach vor Ort erfolgen, wobei dann die Leiter und der Rotorkern separat zugeliefert werden.

[0022] Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd einzelne massive axiale Leiter und Endverbindungen schrittweise in den Rotorkern in axialer Richtung bezüglich des Rotors in die axialen Schlitze eingeschoben werden. Dabei werden die axialen Leiter und die Endverbindungen nach jedem Schritt leitend miteinander verbunden, sodass sich sukzessive Wicklungen um die leiterfreien Bereiche des Rotors ausbilden.

So wird schrittweise zunächst ein axialer Leiter benachbart zur Polzone des Rotorkerns in den entsprechenden Schlitz eingeschoben, dann wird eine entsprechende Endverbindung mit einer angularen (umfangsmässigen) Ausdehnung, so dass das Ende des axialen Leiters an die Innenfläche der Endverbindungen stösst, in die axialen Schlitze aus axialer Richtung eingeschoben. Anschliessend wird der axiale Leiter elektrisch mit der Endverbindung verbunden, sei es indem er verbolzt, hartgelötet, geschweisst (z.B. MIG, TIG, Elektronenstrahl-Schweissen, Laser-Schweissen etc.), verklebt (leitender Kleber) oder verschraubt wird etc. oder Kombinationen davon zur Anwendung kommen.

Falls dies erforderlich ist, können im radial äusseren Bereich der axialen Leiter dritte Mittel zwischen benachbarte axiale Leiter aus axialer Richtung bezüglich des Rotors eingeschoben werden, um die axialen Leiter in einem bestimmten Abstand zu halten und um diese axialen Leiter in umfangsmässiger Richtung zu stabilisieren.

[0023] Weitere Ausführungsformen des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0024] In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, wobei
<tb>Fig. 1<sep>eine perspektivische Ansicht eines geschmiedeten Rohlings ist;

<tb>Fig. 2<sep>a) ist eine perspektivische Ansicht eines bearbeiteten geschmiedeten Rotors;
b) ist eine Seitenansicht der Welle;
c) ist ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2b);
d) ist ein Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2b);
e) ist ein Schnitt entlang der Linie C-C in Fig. 2b);
f) ist ein Ausschnitt entsprechend D in Fig. 2c);
g) ist ein Ausschnitt entsprechend E in Fig. 2e);

<tb>Fig. 3<sep>a) ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit der ersten Endverbindung eingeschoben;
b) ist eine perspektivische Ansicht der Kollektorringe mit den Leitern, welche diese mit den Endverbindungen verbinden;

<tb>Fig. 4<sep>a) ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit allen axialen Leitern und Endverbindungen eingeschoben;
b) ist eine Seitenansicht eines Rotors mit allen axialen Leitern und Endverbindungen eingeschoben;

<tb>Fig. 5<sep>ist eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts von Fig. 4;

<tb>Fig. 6<sep>ist ein axialer Schnitt durch einen axialen Leiter; und

<tb>Fig. 7<sep>zeigt einen axialen Schnitt durch den Rotor mit allen axialen Leitern eingeschoben und einer Endverbindung (oben) eingeschoben.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0025] Mit Bezug auf die Zeichnungen, welche dazu dienen, die vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung darzustellen und nicht dazu dienen sollen, diese einzuschränken, zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines geschmiedeten Rohlings eines Rotors 1, welcher noch nicht bearbeitet ist, d.h. ohne Schlitze. Man kann bereits das Antriebsende 2 der Welle erkennen, bei welchem die Kopplung zur Turbine angeordnet ist. Am anderen Ende der Welle ist das so genannte Nichtantriebsende 3 der Welle, wo üblicherweise der Erreger oder die Schleifringe angeordnet sind. Im zentralen Bereich kann man bereits die leiterfreien Bereiche oder Polzonen 4 des Rotors erkennen.

Der Rotorkern ist aus Stahl gefertigt.

[0026] Fig. 2 zeigt den Rotorkern 5 nachdem er maschinell bearbeitet worden ist. Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotorkerns 5, während Fig. 2b) eine Seitenansicht eines derartigen Rotorkerns 5 darstellt. Im zentralen Bereich sind zwei Polzonen 4 angeordnet, welche leiterfrei verbleiben, und um welche die Wicklungen der Leiter gewickelt werden. Abhängig von der Zahl der Pole können auch 4, 6 etc. derartige leiterfreien Bereiche 4 vorhanden sein. Zwischen diesen leiterfreien Bereichen 4 sind zwei Aussparungen 8 angeordnet, in welche die axialen Leiter zu liegen kommen. Zum Ende der Welle unmittelbar neben den leiterfreien Bereichen 4 sind der Bereich der Endverbindungen am Antriebsende 6 und der Bereich der Endverbindungen am Nichtantriebsende 7 angeordnet.

Die Aussparungen 8 für die axialen Leiter sowie auch die Endbereiche 6 und 7 sind mit axialen Schlitzen versehen. Die Länge a der gesamten Welle beträgt 5100 mm, die Länge s der Polzonen beträgt ungefähr 2400 mm.

[0027] Fig. 2 c) zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2b), d.h. einen Schnitt orthogonal zur Achse der Welle durch den Bereich der Endverbindungen am Antriebsende. Die axialen Schlitze 9, welche sich entlang des gesamten zentralen Bereichs des Rotorkerns erstrecken, das heisst sowohl in den Aussparungen 8 für die axialen Leiter als auch in den Bereichen 6 und 7, sind als Schwalbenschwanz-Schlitze ausgebildet. Die kürzeren Schlitze 24, welche sich nur im Bereich der Endverbindungen am Antriebsende 6 erstrecken, haben den gleichen Querschnitt. Fig. 2f) zeigt den Ausschnitt D, wie er in Fig. 2c) angegeben ist.

Die Schlitze 9 haben eine Breite h von 22 mm, welche sich beim Ausgang des Schlitzes auf eine Breite i von 13 mm verengt. Entsprechend gibt es zwei symmetrische Schultern 10 auf jeder Seite des Schlitzes. Die Dicke l dieser Schultern in radialer Richtung beträgt 10 mm. Zwischen den Schlitzen ist eine Wand einer Breite k von 5.9 mm, und alle fünf Grad ist ein Schlitz angeordnet, d. h. um den ganzen Umfang gibt es 72 Schlitze 9.

[0028] Fig. 2d) zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2b) orthogonal zur Achse der Welle. Hier ist erkennbar, dass in der zentralen Region nur Schlitze 9 in den Aussparungen 8 für die axialen Leiter vorhanden sind. Der Durchmesser e in der Region der Aussparungen 8 ist 660 mm, während er in den leiterfreien Bereichen 900 mm beträgt. Fig. 2e) zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C in Fig. 2b).

Der entsprechende Ausschnitt E ist in Fig. 2g) dargestellt. Im Bereich der Endverbindungen am Nichtantriebsende 7 sind die Schlitze 9 um den ganzen Umfang der Welle herum tiefer ausgebildet. Dies kann in Fig. 2g) erkannt werden, wo die Tiefe g des Schlitzes 40 mm beträgt. Abgesehen von der Tiefe haben diese Schlitze die gleiche Geometrie wie jene, welche in Fig. 2f) dargestellt sind. Die grössere Tiefe der Schlitze kann dazu verwendet werden, die innerste Wicklung der Leiter (insbesondere die innerste Endverbindung) mit dem Erreger zu verbinden, welcher am Nichtantriebsende 3 der Welle angeordnet ist. Ausserdem können die tieferen Schlitze dazu verwendet werden, Kühlluft in axialer Richtung dem zentralen Bereich des Rotorkerns zuzuführen, wenn die Leiter in die Schlitze eingeschoben sind.

Wenn dies vorgesehen ist, können auch die Schlitze am Antriebsende 2 tiefer ausgestaltet werden.

[0029] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotorkerns, bei welchem der erste axiale Leiter (nicht sichtbar, hinter dem oberen leiterfreien Bereich 4 versteckt) in den ersten Schlitz 9 unmittelbar neben dem leiterfreien Bereich 4 eingeschoben ist. Die Verbindung zwischen den axialen Leitern und den Endverbindungen wird vorzugsweise so realisiert, dass das Ende des axialen Leiters an eine Seitenfläche einer Endverbindungen stösst.

[0030] Ausserdem ist die erste Endverbindung 11 in die Schlitze 24 im Bereich der Endverbindungen am Nichtantriebsende 7 des Rotors eingeschoben.

Die erste Endverbindung 11 verfügt über eine angulare (umfangsmässige) Ausdehnung, welche auf der einen Seite (auf der dem Betrachter zugewandten Seite) mit der Seite des leiterfreien Bereichs 4 bündig schliesst, während sie auf der anderen Seite (nicht sichtbar) einen Anschlag der Endfläche des axialen Leiters mit der Seitenfläche der Endverbindung 11 ermöglicht. Die Endverbindung 11 verfügt über kleine Vorsprünge am inneren Radius, welche in die Schlitze 24 hineinpassen und welche die Endverbindung 11 am Rotorkern befestigen. Ebenfalls sichtbar in Fig. 3 sind die Kollektorringe 12, welche elektrisch mit den Wicklungen der Leiter verbunden sind.

Insbesondere ist einer dieser Ringe 12 mit der ersten Endverbindung 11 verbunden, indem Leiter in den tiefen Schlitzen, wie sie oben erwähnt sind, angeordnet sind.

[0031] Fig. 3b) zeigt, wie die Ringe 12 mit den Polen der Wicklungen über Leiter, welche in den tiefen Schlitzen 25 angeordnet sind, mit den Endverbindungen 11 verbunden sind.

[0032] Um die Endverbindungen in Bezug auf zentrifugale Kräfte zusätzlich zu befestigen, ist es möglich, umlaufende Nuten an der peripheren Seite der Endverbindungen vorzusehen, und nach vollständigem Zusammensetzen des Rotors umlaufende Halteringe in diese Nuten einzulegen.

Diese Halteringe können Metallkabel sein oder aber auch faserverstärkte Kunststoff-Stränge, welche sogar direkt in diese Nuten beim Zusammensetzen hineingegossen werden können, indem Stränge von Verstärkungsmaterial (Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramid-Fasern etc.) eingelegt werden und Matrixmaterial zugefügt wird.

[0033] Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den axialen Leitern und den Endverbindungen (beide aus Kupfer oder Aluminium), wobei beide Leiter einzelne Leiter sind (keine Leiterstapel), welche eine Höhe haben, die im Wesentlichen dem Unterschied im Radius zwischen den leiterfreien Bereichen 4 und den Aussparungen 8 für die Leiter entspricht, wird durch Schweissen, Stifte, Bolzen, Schrauben oder Kombinationen davon realisiert. Besonders eignet sich eine Kombination von Stiften/Bolzen mit einem elektrisch leitenden Kleber.

Die Verwendung eines Klebers erlaubt eine wesentlich einfachere Montage und stellt eine genügende elektrische Verbindung zwischen den Leitern zur Verfügung. Mögliche elektrisch leitende Kleber sind in Tabelle 1 aufgelistet.

[0034]
<tb>Handelsnamen<sep>QMI 519<sep>AMICON CE
8501<sep>ECCOBOND
57 C<sep>3880<sep>AMICON C
860-4

<tb>Händler<sep>LOCTITE<sep>EMERSON delta
CUMING<sep>EMERSON delta
CUMING<sep>LOCTITE<sep>EMERSON delta
CUMING

<tb>Viskosität:
(Pa. s)<sep>(Thixotropic)
9<sep>30 to 40<sep>Viskos<sep>125<sep>50 to 70

<tb>Glastemperatur
( deg. C)<sep>80<sep>/<sep>/<sep>64<sep>>= 150 deg. C

<tb>Bearbeitungstemperatur ( deg. C)<sep>/<sep>/<sep>-60 to 120<sep>/<sep>/

<tb>Erscheinung<sep>epoxy-einkomponenten<sep>epoxy-einkomponenten<sep>Epoxy Zweikomponenten 1 zu 1 (Bearbeitungszeit 1 h)<sep>epoxy-einkomponenten<sep>epoxy-einkomponenten

<tb>Aufbewahrung<sep>12 Monate
bei -40 deg. C
24 h bei 25 deg. C<sep>6 Monate bei
0 deg. C
1 Woche bei 25 deg. C<sep>12 Monate bei 25 deg. C<sep>zwischen 0 und -20 deg. C<sep>6 Monate bei 0 deg. C 3 Monate bei 25 deg. C

[0035] Tabelle 1: leitende Kleber für die Verbindung der Leiter.

[0036] Fig. 4a) zeigt einen voll zusammengesetzten Rotor 14 in einer perspektivischen Ansicht und Fig. 4b) in einer Seitenansicht, wobei alle axialen Leiter 13 sowie alle Endverbindungen 11 eingeschoben sind. Die dichte Packung der Leiter 11, 13, welche die Wicklungen um die leiterfreien Zonen 4 auf beiden Seiten bilden, können erkannt werden.

Die einzelnen Leiter können untereinander isoliert werden durch eine Lackschicht oder durch eine isolierende Oberflächenschicht, und insbesondere zwischen den Leitern können Luftspalte vorgesehen werden, welche die Zirkulation von Kühlluft in axialer oder radialer Richtung erlauben. Fig. 5 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht des Bereichs der Endverbindungen am Antriebsende 6.

[0037] Am Nichtantriebsende 3 der Welle (für eine gerade Anzahl von Wicklungen, dies würde an der Antriebsseite 2 für eine ungerade Anzahl von Wicklungen sein) gibt es einen vollen 360 Grad umspannenden Verbindungsring 26 für die Pole, welcher nur halb so breit ist, da er zwei symmetrische Pfade schafft. Dies ist die Verbindung, welche die an der Mittelebene angeordneten Leiter verbindet.

Dieser Ring 26 gewährleistet die Verbindung zwischen den beiden Polen der Rotorwicklungen (Fig. 4a).

[0038] Fig. 6 zeigt einen axialen Schnitt durch einen axialen Leiter 13. Der axiale Leiter hat eine konische Form, d. h. seine Breite n auf der inneren Seite, auf der Seite nahe bei der zentralen Achse der Welle, beträgt 18.5 mm, während die Breite w an der peripheren Seite 31.3 mm beträgt. Vom unteren Ende um ungefähr o = 15 mm beabstandet befindet sich eine Aussparung 18 auf beiden Seiten des Leiters, welche dazu vorgesehen sind, mit den Schultern 10 des Rotorkerns in Wechselwirkung zu treten. Die Aussparung 18 befindet sich zwischen dem unteren Teil 17 und dem mittleren Teil 19 des Leiters 13.

In radialer Richtung haben diese Aussparungen eine Breite p von 12 mm, was eine zentrale massive Breite q der Leiter von 11 mm belässt.

[0039] Zwischen dem mittleren Teil 19 und dem oberen Teil 21 des Leiters befindet sich ein weiteres Paar von Aussparungen 20 auf beiden Seiten des Leiters 13. Diese Aussparungen sind um u = 8 mm vom oberen Rand des Leiters beabstandet und haben eine Breite v in radialer Richtung von 6 mm. Nachdem der Leiter 13 in axialer Richtung in den Rotorkern oder besser in die axialen Schlitze 9 des Rotorkerns eingeschoben wurde, sind benachbarte Leiter voneinander beabstandet, wobei dazwischen ein Luftspalt verbleibt, der sich in radialer Richtung erstreckt (vgl. Fig. 7).

Um die einzelnen axialen Leiter in umfangsmässiger Richtung untereinander zu befestigen, und um eine kontrollierte Zirkulation von Kühlluft zwischen den einzelnen, parallelen Leitern sicherzustellen, werden sich axial erstreckende Keile oder Stäbe 22 ebenfalls aus axialer Richtung zwischen die Leiter 13 eingeschoben, wobei die Aussparungen 20 verwendet werden. Dies ist im linken Teil der Fig. 7 dargestellt. Die dadurch zur Verfügung gestellten axialen Kanäle 23 zwischen den Leitern (und den Leitern und dem leiterfreien Bereich 4 des Rotorkerns am Rande der Aussparungen 8) erlaubt die Zirkulation von Kühlluft in axialer Richtung.

Wenn die Keile 22 ausserdem mit Löchern in radialer Richtung versehen werden, kann Kühlluft, welche in diesen axialen Kanälen zirkuliert, wenigstens teilweise in radialer Richtung umgeleitet werden.

[0040] In diesem speziellen Fall ist der Leiter 13 nicht weiter strukturiert, aber es ist möglich ausserdem axiale Kühllöcher in den Leitern vorzusehen, um eine zentrale Kühlung des Leiters zu ermöglichen.

[0041] Ausserdem ist es möglich, einen derartigen Rotor zum Zusammenbau eines supraleitenden Rotors zu verwenden.

[0042] Selbstverständlich soll die 2-Pol-Anordnung, wie sie hier beschrieben ist, nicht den Umfang der Idee einschränken.

Es können auch höhere Polzahlen einfach realisiert werden.

Bezugszeichenliste

[0043]
1 : geschmiedeter Rohling des Rotors
2 : Antriebsende der Welle
3 : Nichtantriebsende der Welle
4 : leiterfreie Bereiche oder Polzonen des Rotors
5 : Rotorkern
6 : Bereich der Endverbindungen am Antriebsende
7 : Bereich der Endverbindungen am Nichtantriebsende
8 : Aussparung für die axialen Leiter
9 : axiale Schwalbenschwanz-Schlitze
10 : Schulter von 9
11 : Endverbindung
12 : umlaufende Ringe, Kollektorringe
13 : axiale Leiter
14 : Rotor
15 : Schwalbenschwanzbereich der Endverbindungen
16 : Aussparungen zwischen 15
17 : Schwalbenschwanzbereich von 13
18 : untere Aussparung von 13
19 : mittlerer Bereich von 13
20 : obere Aussparung von 13
21 : Kopfbereich von 13
22 : Keil
23 : axialer/radialer Kanal für Kühlmittel (gasförmig oder flüssig, z.B.

Kühlluft)
24 : axiale Schlitze für die Endverbindungen
25 : vertiefter Schlitz für die Zuführung von Kühlmittel
26 : Verbindungsring für die Pole

Claims

1. Rotor (14) für eine rotierende elektrische Maschine, umfassend einen Rotorkern (5) mit axialen Schlitzen (9) für die Aufnahme von Leitern (13), dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Schlitze (9) unter Ausbildung von ersten Mitteln (10) ausgeformt sind, und dass die axialen Leiter (13) mit entsprechenden zweiten Mitteln (18) ausgeformt sind, wobei die ersten Mittel (10) und die zweiten Mittel (18) in Wirkverbindung stehen, sodass die axialen Leiter (13) in den axialen Schlitzen (9) insbesondere in Bezug auf zentrifugale und Torsionskräfte fixiert werden.

2. Rotor (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel in Form von Schultern (10) ausgebildet sind, wobei sich diese Schultern (10) bevorzugt im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Schlitze (9) und bevorzugt symmetrisch auf beiden Seiten dieser Schlitze (9) erstrecken, dass die zweiten Mittel in Form von Aussparungen (18) in den axialen Leitern (13) ausgebildet sind, welche sich bevorzugt im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Leiter (13) und bevorzugt symmetrisch auf beiden Seiten dieser axialen Leiter (13) erstrecken, wobei vorzugsweise die Aussparungen (18) im radial inneren Bereich der axialen Leiter (13) angeordnet sind.

3. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die axialen Schlitze (9) als Schwalbenschwanz-Schlitze (9, 10) im Rotorkern (5) ausgebildet sind, und dass die axialen Leiter (13) einen entsprechenden Schwalbenschwanzbereich (17) aufweisen, welche in die genannten Schwalbenschwanz-Schlitze (9) hineinpassen.

4. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein einziger axialer Leiter (13) in einem axialen Schlitz (9) angeordnet ist, und dass die radiale Höhe (s) der axialen Leiter (13) wesentlich grösser ist als deren umfangsmässige Weite (n,w), wobei vorzugsweise diese Weite (n) auf der radial inneren Seite des axialen Leiters (13) schmaler ist als die Weite (w) auf der radial äusseren Seite des axialen Leiters (13).

5. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Leiter (13) in den Rotorkern (5) in die axialen Schlitze (9) in einer axialen Richtung bezüglich des Rotors eingeschoben werden können.

6. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (f, g) der axialen Schlitze (9) wesentlich kleiner ist als die radiale Höhe (s) der axialen Leiter (13) und dass auf der radial äusseren Seite der axialen Leiter (13) dritte Mittel (22) angeordnet sind zwischen benachbarten axialen Leitern (13), um diese in einem bestimmten Abstand zu halten und um diese Leiter (13) in umfangsmässiger Richtung zu stabilisieren.

7. Rotor (14) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Mittel in Form von Keilen (22) ausgebildet sind, welche mit Aussparungen (20) wechselwirken, die in den axialen Leitern (13) vorgesehen sind, wobei sich vorzugsweise diese Keile (22) entlang der Länge der axialen Leiter (13) erstrecken, wobei zwischen dem Rotorkern (5) und den Keilen (22) axiale Kanäle (23) für die Zirkulation von Kühlluft verbleiben und wobei optional die Keile (22) zusätzlich radiale Bohrungen aufweisen, welche eine wenigstens teilweise Zirkulation der Kühlluft in radialer Richtung erlauben.

8. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Leiter (13) aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sind, und dass vorzugsweise ein einziger axialer Leiter (13) in einem axialen Schlitz (9) angeordnet ist, wobei ein axialer Leiter (13) einen Querschnitt im Bereich von 1000 bis 4500 mm<2>, vorzugsweise im Bereich von 2000 bis 4000 mm<2>, aufweist.

9. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor leiterfreie Zonen (4) angeordnet sind, um welche die Leiter (11, 13) in wenigstens einer Wicklung gewickelt sind, dass die axialen Bereiche der Wicklungen von den axialen Leitern (13) gebildet werden, welche in den axialen Schlitzen (9) angeordnet sind, dass die radialen Bereiche der Wicklungen durch wenigstens eine Endverbindung (11) gebildet wird, welche endseitig ausserhalb der leiterfreien Zonen (4) angeordnet sind, und dass wenigstens eine dieser Endverbindungen (11) ebenfalls mit zweiten Mitteln (18) zur Wechselwirkung mit den ersten Mitteln (10) versehen ist, um die Endverbindungen (11) in den axialen Schlitzen (9) insbesondere in Bezug auf zentrifugale und Torsionskräfte zu fixieren.

10. Rotor (14) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich weitere axiale Schlitze (24) mit ersten Mitteln (10) endseitig (6, 7) ausserhalb der leiterfreien Zonen (4) angeordnet sind, und dass weitere zweite Mittel (18) an der wenigstens einen Endverbindung (11) angeordnet sind, wobei die ersten Mittel in Form von Schultern (10) ausgebildet sind, welche sich vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten der Schlitze (24) erstrecken, und dass die zweiten Mittel in Form von entsprechenden, senkrecht zur Hauptrichtung der Endverbindungen (11) verlaufenden Aussparungen (18) in Vorsprüngen der Endverbindungen (11) ausgebildet sind.

11. Rotor (14) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverbindungen (11) einzelne Leiter sind mit gleicher Höhe wie die einzelnen axialen Leiter (13), und dass die radiale Höhe der Endverbindungen (11) wesentlich grösser ist als deren axiale Weite.

12. Rotor (14) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverbindungen (11) leitend mit den axialen Leitern (13) verbunden sind unter Zuhilfenahme von Stiften, Schrauben, Schweissen, Hartlöten, Verkleben, vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines leitenden Klebers, oder Kombinationen dieser Verbindungsmittel.

13. Rotor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverbindungen (11) aus axialer Richtung in den Rotorkern (5) in die axialen Schlitze (9, 24) geschoben werden können.

14. Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Schlitze (9) wenigstens teilweise tiefer sind als die Fussbereiche (17) der axialen Leiter (13), sodass vertiefte Schlitze (25) verbleiben, durch welche Kühlmittel geführt werden kann oder in welche Leiter eingelegt werden können, welche nicht direkt zu den Wicklungen gehören.

15. Verfahren zur Montage eines Rotors (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne massive axiale Leiter (13) aus axialer Richtung in den Rotorkern (15) in die axialen Schlitze (9) eingeschoben werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15 zur Montage eines Rotors nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd einzelne massive axiale Leiter (13) und Endverbindungen (11) stufenweise in den Rotorkern (5) in axialer Richtung bezüglich des Rotors in die axialen Schlitze (9, 24) eingeschoben werden, wobei die axialen Leiter (13) und die Endverbindungen (11) nach jedem Schritt leitend miteinander verbunden werden, sodass sich sukzessive Wicklungen um die leiterfreien Bereiche (4) des Rotors ausbilden, und wobei gegebenenfalls im radial äusseren Bereich der axialen Leiter (13) dritte Mittel (22) zwischen benachbarte axiale Leiter (13) aus axialer Richtung bezüglich des Rotors eingeschoben werden, um die axialen Leiter (13) in einem bestimmten Abstand zu halten und um diese axialen Leiter (13) in umfangsmässiger Richtung zu stabilisieren.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverbindungen (11) leitend mit den axialen Leitern (13) verbunden werden unter Zuhilfenahme von Stiften, Schrauben, Schweissen, vorzugsweise unter Verwendung von MIG oder TIG, Verkleben, vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines leitenden Klebers, oder Kombinationen dieser Verbindungsmittel.