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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für eine elektrische Maschine mit einer Wickelkopfkappe, die einen zylinderförmigen Mantel aufweist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf schnelllaufende elektrische Maschinen, die eine Bemessungsdrehungszahl von 3000 U/min und mehr und/oder eine Bemessungsleistung im Megawattbereich, insbesondere von mindestens 2 MW und vorzugsweise von mindestens 5 MW aufweisen.
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Läufer von elektrischen Maschinen sind häufig mit Wicklungen ausgestattet, die an der Stirnseite eines Blechpakets bzw. Ballens in einem Wickelkopf miteinander verschaltet sind. Je höher die Beanspruchung der elektrischen Maschine ist, desto mehr erwärmt sich der Wickelkopf. Dies gilt insbesondere auch für elektrische Maschinen mit hoher Drehzahl. Bei hoher Drehzahl werden häufig Läuferwickelkopfkappen insbesondere zur radialen Abstützung der fliehkraftbelasteten Wickelköpfe benötigt. Diese Wickelkopfkappen 4 bestehen in der Regel aus hochfestem Stahl und sind gemäß 1 als geschlossene Strukturen ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Wickelkopfkappe 4 im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist, wobei ihr Mantel geschlossen ist. An der einen axialen Seite 5 ist die Wickelkopfkappe 4 auf den Ballen 3 der Welle aufgeschrumpft. An der anderen Stirnseite der zylinderförmigen Wickelkopfkappe 4 befindet sich ein einteilig angeformter Ring 6, der einen etwas kleineren Durchmesser als den Außendurchmesser des Wickelkopfs 2 besitzt. Sein Innendurchmesser ist jedoch größer als der axial aus der Wickelkopfkappe 4 ragende Wellenbereich 7. Außerdem ist der Innendurchmesser des Wickelkopfs 2 größer als der Außendurchmesser des Wellenbereichs 7. Daher kann Kühlmedium 8 gemäß den in 1 dargestellten Pfeilen zwischen dem Wellenbereich 7 und der ringförmigen Öffnung 9 der Wickelkopfkappe 4 in den Raum zwischen dem Wellenbereich 7 und dem Wickelkopf 2 strömen.
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Der Ballen 3 besitzt, sofern die elektrische Maschine für höhere Leistungen ausgelegt ist, häufig radial gerichtete Entlüftungsbohrungen, die in 1 der Übersicht halber nicht eingezeichnet sind. Die Wickelkopfkappe 4 hingegen ist aus Stabilitätsgründen geschlossen ausgebildet. Dies führt im Kappenbereich zu einer unzureichenden Abfuhr der dort entstehenden Verlustwärme. Es entstehen Zonen mit sehr hoher Wicklungstemperatur (so genannte „hot spots”).
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Eine hohe Wicklungstemperatur setzt aber die Lebensdauer der Wicklungsisolierung deutlich herab. Als Gegenmaßnahme wird daher meist die Leistung der Maschine begrenzt, oder die Maschine wird thermisch überdimensioniert ausgelegt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Leistung einer elektrischen Maschine gegebenenfalls auch im Hinblick auf ihre Rotordynamik (insbesondere das Biegeschwingungsverhalten) erhöhen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Läufer für eine elektrische Maschine mit einer Wickelkopfkappe, die einen zylinderförmigen Mantel aufweist, wobei der Mantel zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung gebildet ist und einen durch ihn hindurch verlaufenden Kanal aufweist. Unter einem Faserverbundwerkstoff wird hier kein GFK (Glasfaserverbundwerkstoff) verstanden. Hingegen sollen z. B. Kevla oder Aramid sowie Kohlefaserverbundwerkstoffe darunter verstanden werden.
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In vorteilhafter Weise lässt sich durch das leichte Mantelmaterial eine verbessertes rotordynamisches Verhalten (Biegeschwingungsverhalten) des Läufers erzielen. Darüber hinaus ist der Mantel der Wickelkopfkappe mit einem oder mehreren hindurchlaufenden Kanälen versehen, sodass Kühlmittel, welches radial (z. B. durch die Wickelköpfe oder zwischen zwei Wicklungen) strömt, durch die Wickelkopfkappe nach außen abgeleitet wird. Dadurch lässt sich der Wickelkopf effizienter kühlen, was wiederum einer Steigerung der Leistung der elektrischen Maschine dienlich ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Faserverbundwerkstoff um einen Kohlefaserverbundwerkstoff. Dieser ist nicht nur sehr beanspruchbar, sondern auch elektrisch leitend.
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An dem zylinderförmigen Mantel kann stirnseitig ein Metallring zur Befestigung der Wickelkopfkappe an dem Läufer angebracht sein. Ein derartiger Stahlring ermöglicht es, dass beispielsweise eine Wickelkopfkappe, die im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, auf den Läufer aufgeschrumpft wird.
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In einer speziellen Ausführungsform weist der Läufer eine Welle mit einem Ballen auf, an dem die Wickelkopfkappe befestigt ist. Der Ballen stellt den radial stärksten Bereich einer Läuferwelle dar, in dem beispielsweise Dämpferkeile eingebracht sind.
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Weist der Mantel des Läufers den oben genannten Metallring auf, so kann der Mantel mithilfe des Metallrings an dem oben ebenfalls bereits genannten Ballen der Welle befestigt sein. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, dass der Metallring (z. B. Stahlring) auf den Ballen aufgeschrumpft werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Wickelkopfkappe elektrisch leitend und als elektrischer Dämpferkäfig ausgebildet. Dies ist beispielsweise auch hinsichtlich der Strapazierfähigkeit des Materials der Wickelkopfkappe durch einen Kohlefaserverbundwerkstoff erreichbar.
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Die Wickelkopfkappe kann außerdem eine axial gerichtete Einströmöffnung zum Einströmen eines Kühlmediums in die Wickelkopfkappe und den genannten Kanal zum Ausströmen aufweisen. Dadurch kann ein stetiger Kühlmittelstrom realisiert werden, der in die Wickelkopfkappe axial eintritt und radial austritt.
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Der erfindungsgemäße Läufer kann in eine elektrische Maschine und insbesondere in einen elektrischen Motor oder einen elektrischen Generator integriert werden. Damit können sehr leistungsfähige (auch im Hinblick auf ihre Rotordynamik) Motoren und Generatoren bereitgestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Wickelkopfbereich eines Läufers gemäß dem Stand der Technik;
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2 einen Querschnitt durch einen Wickelkopfbereich eines Läufers gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Wickelkopfkappe mit Metallring.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 2 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Läufers im Querschnitt dargestellt. Einige der Komponenten wurden bereits in Zusammenhang mit 1 erläutert. Sie besitzen die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Es wird daher ergänzend auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
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In dem Beispiel von 2 besitzt der Läufer 1 ebenfalls eine Welle mit einem Ballenbereich 3, der im Wesentlichen das Aktivteil des Läufers darstellt. In ihn ist eine Wicklung eingelegt, die an der Stirnseite des Ballens 3 aus diesem herausragt und den Wickelkopf 2 bildet. Im Zentrum der Stirnseite des zylindrischen Ballens 3 setzt sich ein schlankerer, ebenfalls zylindrischer Wellenbereich 7 fort. Dieser verläuft zunächst koaxial mit dem Wickelkopf 2 bezüglich der Rotationsachse 19 des Läufers 1. Der Wellenbereich 7 reicht beispielsweise zu einem in 2 nicht dargestellten Lagersitz, mit dem der Läufer 1 rotatorisch gelagert ist.
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Der Wickelkopf 2 ist an seinem Außenumfang von einer rohrförmigen Wickelkopfkappe 4 umgeben, die also einen hohlzylindrischen Mantel besitzt. Auf einer axialen Seite ist die Wickelkopfkappe 4 in einem Abschnitt 5 auf den Ballen 3 aufgesteckt bzw. aufgeschrumpft. Dieser Abschnitt 5 besitzt also im Wesentlichen den Innendurchmesser entsprechend dem Außendurchmesser des Ballens 3. Demgegenüber weist die Wickelkopfkappe 4 insbesondere im Bereich des Wickelkopfs 2 einen etwas kleineren Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Wickelkopfs 2 entspricht. An dem dem Abschnitt 5 gegenüberliegenden Teil der Wickelkopfkappe 4 ist wie in 1 der Ring 6 angebracht, der einteilig mit den anderen Abschnitten der Wickelkopfkappe 4 ausgebildet ist. Sein Innendurchmesser ist etwas größer als der Außendurchmesser des Wellenbereichs 7. Dadurch kann Kühlmittel 8 in axialer Richtung also parallel zur Rotationsachse 19 der Welle in die Wickelkopfkappe 4 durch die ringförmige Öffnung 9 einströmen, um den Wickelkopf 2 zu kühlen.
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Für die verbesserte Kühlung des Wickelkopfbereichs sind hier radiale Entlüftungsbohrungen 10 (vorzugsweise symmetrisch am Umfang verteilt) in das Kappenrohr bzw. den Wickelkopf 4 eingebracht. Die Entlüftungsbohrungen können im Hinblick auf Anzahl und Geometrie für optimale Kühlung ausgelegt sein. In radialer Verlängerung der Entlüftungsbohrungen 10 der Wickelkopfkappe 4 besitzt der Wickelkopf 2 eine Aussparung 11. Durch die Aussparung 11 und den Entlüftungskanal 10 kann Kühlmittel aus der Wickelkopfkappe 4 gemäß Pfeil 12 radial nach außen dringen. Somit kann ein Kühlmittelstrom erreicht werden, der zunächst axial zwischen dem Wellenbereich 7 und dem Ring 6 der Wickelkopfkappe 4 in diese eindringt und dann radial nach außen gelenkt wird. Durch diesen ungehinderten Kühlmittelstrom lässt sich eine sehr effiziente Kühlung des Wickelkopfs 2 erreichen.
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Derartige Entlüftungsbohrungen 10 in der Wickelkopfkappe 4 sind bei bislang üblichen Kappenwerkstoffen nicht möglich, da die Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen zur Erreichung der Beanspruchungsgrenze des Kappenwerkstoffs führen. Aus diesem Grunde müssen Wickelkopfkappen bislang in höchstem Maße beanspruchungsoptimiert bzw. möglichst kerbwirkungsunempfindlich und somit frei von z. B. Bohrungen ausgeführt sein. Die Wickelkopfkappen sollten also keine Geometriesprünge aufweisen, an denen die mechanischen Spannungen bei hohen Drehzahlen unter Umständen zu hoch werden. Ein großer Teil der Fliehkraftbelastung wird durch die hohe Masse der bislang aus einem hochfesten Stahl gefertigten Kappe selbst verursacht. Daher ist die Kappe hier aus einem leichteren Material gefertigt, z. B. einem Leichtmetall, einer Leichtmetalllegierung oder einem Faserverbundwerkstoff. Selbst bei einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung ist die Masse deutlich geringer als die einer gleich großen Stahlkappe, sodass die Fliehkraftbelastung entsprechend gering ist. Damit können Entlüftungsbohrungen 10 in die Wickelkopfkappe eingebracht werden, denn es ist eine ausreichende Festigkeitsreserve vorhanden.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn als Kappenmaterial ein hochfester Faserverbundwerkstoff verwendet wird. Dadurch reduziert sich die Kappenmasse bei gleicher Geometrie um etwa 80% gegenüber üblichen Stahlkappen. Zudem weisen insbesondere auf Kohlefasern basierende Verbundwerkstoffe (CFK) bei geeigneter Verarbeitung höhere Festigkeiten in der relevanten Lastrichtung als das bisherige Kappenmaterial auf. Die damit erzielte Festigkeitsreserve erlaubt umso mehr die Einbringung radialer Bohrungen (Entlüftungsbohrungen 10).
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Die Verwendung von CFK als Wickelkopfkappenwerkstoff hat darüber hinaus den Vorteil, dass dann mit der Wickelkopfkappe ein elektrischer Dämpferkäfig realisiert werden kann, denn das CFK ist elektrisch leitend. Es ist dann jedoch der elektrische Übergang von der Wickelkopfkappe 4 zu dem Ballen 3 zu optimieren. Problematisch dabei ist zudem, dass CFK einen verhältnismäßig geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, sodass die CFK-Wickelkopfkappe 4 nicht auf den Ballen 3 aufgeschrumpft werden kann. Aus diesem Grund kann es fertigungstechnisch von Vorteil sein, die CFK-Wickelkopfkappe 4 stirnseitig mit einem Metallring, insbesondere Stahlring 13 auszustatten, wie dies in 3 dargestellt ist. Der Stahlring 13 ist in einem Teilbereich seiner axialen Länge ausgedreht, sodass sich eine Schulter 14 ergibt, an die der Stahlring 13 z. B. anschlägt, wenn er axial auf den Ballen 3 aufgesteckt wird. Der Stahlring 13 kann nun auf den Ballen 3 des Läufers 1 aufgeschrumpft werden.
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An einer Stirnseite des Stahlrings 13 ist die Wickelkopfkappe 4 aus dem Verbundfaserwerkstoff oder dem Leichtmetall oder der Leichtmetalllegierung befestigt. Dafür sind entsprechende Befestigungsmittel 15 vorgesehen.
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Die radiale Stärke der Wickelkopfkappe 4 entspricht hier der radialen Stärke des Stahlrings 13. Außerdem ist die Wickelkopfkappe 4 hier in axialer Richtung mit mehreren Entlüftungsbohrungen 10 versehen. Weitere Entlüftungsbohrungen 10 befinden sich vorzugsweise symmetrisch gleich verteilt am Umfang der Wickelkopfkappe 4.
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Ein erfindungsgemäßer Läufer mit einer Wickelkopfkappe, deren Mantel zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung gebildet ist und einen oder mehrere durch ihn hindurch verlaufende Kanäle besitzt, hat den Vorteil, dass eine verbesserte Wickelkopfkühlung erreicht werden kann. Außerdem wird dadurch die Wicklungs- und somit die Maschinenlebensdauer bei gleicher Leistung erhöht. Ferner lässt sich eine bessere Ausnutzung der Maschinenleistung erzielen. Zudem ergibt sich eine deutliche Reduktion der Läufergesamtmasse (beispielsweise um 10%), was zu verbesserten dynamischen insbesondere rotordynamischen Eigenschaften des Läufers führt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von CFK-Kappen ist, dass sie geringere Kosten gegenüber üblichen hochfesten Stahlkappen verursachen.
