DE2531400A1 - Belueftungseinrichtung fuer dynamoelektrische maschinen - Google Patents
Belueftungseinrichtung fuer dynamoelektrische maschinenInfo
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- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
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Description
PATENTANWÄLTE 253 UOO
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH
β MÖNCHEN 7i,den 10. Juli 1975
M.inZtloh.n: WS27P-1312
Westinghouse Electric Corporatior Gateway Center, Pittsburgh,
Pennsylvania 15222, USA
Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische Maschinen
Die Erfindung betrifft eine Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische
Maschinen mit einem Rotor, der einen zylindrischen und lamellierten sowie eine Wicklung tragenden Kern aufweist, wobei der Kern mit in
Längsrichtung verteilten und radial verlaufenden Kühlluftkanälen versehen ist, welche in Längskanäle im Rotor für die Luftführung münden.
Rotoren mit einem nicht ausgeprägten Pol haben zylindrische Rotorkerne,
auf denen die Rotorwicklung in über die äußere Oberfläche des Kernes verteilten Längsschlitzen angebracht ist. Der Kern ist üblicherweise
lamelliert und besteht bei herkömmlichen Konstruktionen aus einer Serie von lamellierten Blechpaketen, zwischen denen Abstandselemente
angeordnet sind, so daß radial verlaufende Kühlluftkanäle über die gesamte Länge des Kernes verteilt entstehen. Ferner sind Längskanäle
Fs/mü
vorhanden
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vorhanden, welche in Kommunikation mit den radial verlaufenden Kühlluftkanälen stehen, so daß die Kühlluft durch die Längskanäle
und die radial verlaufenden Kühlluftkanäle ventilieren und die Wärme vom Kern abführen kann. Bei einem speziellen Konstruktionstyp sind
die Längskanäle zwischen radial angeordneten Vorsprüngen auf der Welle ausgebildet bzw. werden von einem auf der Welle montierten
Speichenstern begrenzt. Der ringförmige lamellierte Kern liegt auf den äußeren Enden dieser Vorsprünge bzw. Speichen auf, die sich über
die gesamte Länge des Kernes erstrecken, so daß die radial verlaufenden Kühlluftkanäle in die Längskanäle münden.
Bei der herkömmlichen Ausgestaltung derartiger Rotoren sind die Längskanäle,
welche als Sammelkanäle für die Kühlluft dienen, in ihren Abmessungen vom einen Ende bis zum anderen Ende des Kernes gleichförmig
gestaltet. Die Luft wird entweder durch ein extern vorgesehenes Gebläse oder eine Pumpwirkung des Rotors selbst durch die Längskanäle
und die Kühlluftkanäle gepreßt. Diese bekannte Ausgestaltung ist in sehr
großem Umfang in Benutzung und genügt in der Regel auch den Anforderungen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Luftstrom in einem derart
ausgestalteten Rotor nicht gleichförmig ist, und daß sich dementsprecher
eine ungl ei chförmige Temperaturverteilung im Rotor einstellen kann. Aufgrund
dieser Ungleichförmigkeit bei Längskanälen mit konstantem Querschnitt kann sich für den Luftstrom in radialer Richtung durch die Kühlluftkanäle
eine Geschwindigkeit einstellen, die bis zum Vierfachen am einen Ende des Kernes gegenüber dem anderen Ende des Kernes verschieden
ist. Durch diesen Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Kernes,
die unzulässig hohe Werte annehmen kann, so daß der Temperaturgradient über dem lameliierten Kern zu einer sehr starken Beanspruchung
bzw. Spannung im Kern und anderen Schwierigkeiten führen kann.
- 2 - Der
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Belüftungseinrichtung
zu schaffen, bei der die Luftführung im Rotor derart ausgebildet ist, daß sich eine im wesentlichen gleiche Geschwindigkeit
für den Luftstrom und eine gleichförmige Ableitung der Temperatur einstellt. Damit soll eine ungleichförmige Temperaturbelastung für den
Rotor erzielt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungggemäß dadurch gelöst, daß der Querschnittsbereich
der Längskanäle vom einen Ende zum anderen Ende hin abnimmt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
Mit Hilfe der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, durch
die über die Länge des Kernes mit veränderlichem Querschnitt ausgebildeten Längskanäle die Strömungsgeschwindigkeit für den Luftstrom
derart einzustellen, daß durch die radial verlaufenden Kühlluftkanäle sich ein näherungsweiser gleicher Luftstrom einstellt. Die Längskanäle
werden vorzugsweise auf dem Umfang der Welle in die Welle eingearbeitet, wobei sich bei gleichbleibender Breite der Längskanäle und vorzugsweise
keilförmiger Vertiefung eine Verteilung des Luftstromes in der Weise einstellt, daß die Radialgeschwindigkeit im wesentlichen
gleichförmig ist.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung
mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:
- 3 - Fig. 2
5 ηr: η ά ■/ / η 3 p.
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Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie III-III der Fig. 1.
In der Zeichnung ist ein typischer Rotor dargestellt, wie er in einem
Wechselstromgenerator mit einem in herkömmlicherweise mit einem ausgeprägten Pol versehenen Stator, der nicht dargestellt ist, Verwendung
findet. Das beschriebene Belüftungssystem kann jedoch auch für beliebige Rotortypen mit einem lamellierten Kern und einer verteilten
Wicklung Verwendung finden, wie dies für einen Rotor eines Induktionsmotors oder den Anker einer Gleichstrommaschine beispielsweise
der Fall ist.
Gemäß der Zeichnung umfaßt der Rotor einen lamellierten Kern 10 und eine Welle 12. Der Kern 10 ist ringförmig ausgebildet mit einer
inneren und äußeren zylindrischen Fläche und besteht aus lamellierten Blechpaketen 14. Diese Blechpakete 14 sind mit Hilfe von Abstandselementen
16 gegeneinander getrennt, so daß radial verlaufende Kühlluftkanäle 18 zwischen benachbarten Blechpaketen entstehen. Die Abstandselemente
können in herkömmlicher Weise ausfingerförmig ausgebildeten Blechelementen bestehen, die mit den äußeren Platten der Blechpakete verbunden
sind. Die Einhaltung des gewünschten Abstandes kann auch mit Hilfe anderer Vorrichtungen erzielt werden, wenn dies wünschenswert ist. Die auf diese
Weise geschaffenen Kühlluftkanäle 18 sind in Längsrichtung in gewissen Abständen über die Länge des Kernes 10 verteilt und erstrecken sich durch
die ganze Dicke des Kernes. Die Blechpakete 14 werden in herkömmlicher Weise zwischen Endplatten 20 eingespannt und zusammengedrückt, so daß
der Kern 10 die gewünschte Festigkeit hat. Auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Kernes sind Schlitze 22 vorgesehen, in welchen die Rotorwicklung
24 in herkömmlicher Weise angeordnet ist. Die Enden der einzelnen
- 4 - Wicklungen
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Wicklungen 24 verlaufen Über das Ende des Kernes hinaus und sind in herkömmlicher Weise in mit den Endplatten 20 verbundenen Halterungen
26 befestigt.
Der Kern 10 ist mit der Welle 12 verbunden und dreht sich mit dieser.
Zu diesem Zweck sind an der Welle 12 radial verlaufende Vorsprünge 28 ausgebildet, die entweder einstückig an der Welle ausgeformt oder
als separate Elemente in diese eingesetzt und fest verbunden sind. Die Vorsprünge 28 erstrecken sich in Längsrichtung der Welle zumindest über
die Länge des Kernes 10 und sind über den Umfang verteilt derart angebracht, da/3, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, Längskanäle 30 entstehen.
Die innere Oberfläche des ringförmigen Kernes 10 steht in Eingriff mit den äußeren Kanten der Vorsprünge 28 und wird von diesen gehaltert,
wobei zumindest ein Teil der Vorsprünge 28 mit dem Kern formschlüssig verbunden sein kann, wie dies durch das Bezugszeichen 32 angedeutet
ist.
Man kann aus der Zeichnung entnehmen, daß die Längskanäle 30 zwischen
den Vorsprüngen 28 Sammelkanäle bzw. Luftführungskanäle bilden, von denen aus die Kühlluft in die radial ausgerichteten Kühlluftkanäle 18
eindringt und durch diese radial durch den Kern 10 und die Wicklung 24 geführt wird. Durch diese Luftströmung wird die vom Kern und der
Wicklung entwickelte Wärme abgeführt. Die Luftströmung durch die Längskanäle 30 kann durch die Pumpwirkung bzw. die Gebläsewirkung des
Rotors selbst aufrechterhalten werden, jedoch kann auch ein separates Gebläse für diesen Zweck Verwendung finden, das auf der Welle 12
neben dem einen Ende des Kernes 10 montiert ist.
Diese Art der Belüftung ist, wie bereits erwähnt, in vielen Fällen
zufriedenstellend und wirksam, jedoch haben bei der Verwendung herkömmlicher Kanäle 30 mit gleichen Abmessungen ifcer die Gesamtlänge
sorgfältige Analysen der Luftströmung gezeigt, daß die Luftgeschwindigkeit
- 5 - in den
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in den radialen Kühlluftkanälen 18 vom einen Ende des Kernes zum anderen Ende hin stark veränderlich ist, und daß die Luftgeschwindigkeit
im letzten Kühlluftkanal an dem austrittsseitigen Ende des Kernes bis zu viermal größer als die Radialgeschwindigkeit in einem Kühlluftkanal
18 auf der Eintrittsseite ist. Dies bewirkt natürlich stark unterschiedliche Temperaturen im Kern, was schwerwiegende Probleme in Verbindung
mit der Belastung bzw. Beanspruchung bei Maschinen mit großer Last mit sich bringen kann. Es können sich auch Schwierigkeiten beim
Betrieb aufgrund der ungleichenBelastungsverteilung oder Spannungsverteilung
bzw. aufgrund einer ungleichen Ausdehnung des Kernes und der Wicklung einstellen.
Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten vermieden,
indem die Längskanäle 30 in einer Weise ausgebildet werden, daß sich eine im wesentliche gleiche Radialgeschwindigkeit für die Luftströmung in den
Kühlluftkanälen 18 über die gesamte Länge des Kernes 10 einstellt. Die Längskanäle 30 sind aus diesem Grund derart ausgebildet, daß der Querschnittsbereich
jedes einzelnen Längskanals vom einen Ende des Rotorkernes zum anderen Ende hin abnimmt. Diese Ausbildung des Längskanales
kann iniunterschiedlicher Weise erfolgen, wobei z. B. der Durchmesser der Welle schrittweise verringert oder die Breite der Vorsprünge 18 variiert
wird. In einer bevorzugten und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
wird der Querschnittsbereich der Längskanäle 30 kontinuierlich und gleichförmig verringert, indem die Bodenfläche 36 für jeden Längskanal
30 geneigt ausgeführt wird. Auf diese Weise können, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, die radialen Vorsprünge 28 von gleichbleibender Breite
über die gesamte Länge des Kernes gehalten werden. Die Bodenfläche 36 eines jeden Längskanals wird gleichförmig und linear vertieft ausgebildet,
so daß sie zur Längsachse der Welle geneigt verläuft, wie dies aus Fig. 1 zu entnehmen ist. Damit kann der Querschnitt des Längskanals gleich-
- 6 - mäßig
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mäßig und gleichförmig von einem Ende zum anderen EmIo des Kernes
hin verringert werden. Die optimale Neigung der Bodenfläche 3G kann mit Hilfe von Analysen oder auch durch Tests ermittelt werden. Man
hat festgestellt, daß eine verhältnismäßig ideale Annäherung dadurch erzielbar ist, daß der engste Bereich eines jeden Längskanales 30,
und zwar im Bereich des letzten Kühlluftkanales 34 an dem austrittseitigen Ende, etwa gleich dem Querschnittsbereich des Kühlluftkanales 34 gemacht
wird, welcher in den Längskanal zwischen zwei Vorsprüngen 28 mündet. Die Bodenfläche 36 ist dann gleichmäßig und vorzugsweise linear bis zu
einem maximalen Öffnungsbereich am anderen Ende des Kernes geneigt, so daß die gewünschte gleichmäßige und kontinuierliche Änderung des
Querschnittsbereiches vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes gewährleistet ist. Mit Hilfe von Tests läßt sich zeigen, daß mit einer
derartigen Ausgestaltung der Erfindung die radiale Geschwindigkeit der Luftströmung durch alle Kühlluftkanäle 18 im wesentlichen gleich gehalten
werden kann, und daß eine gleichförmige Kühlung sowie eine gleichförmige Temperaturverteilung über die gesamte Länge des Rotors erzielbar ist.
Mit Hilfe der Erfindung läßt sich die Rotorkonstruktion derart verändern,
daß die Schwierigkeiten, die sich aus der ungleichmäßigen radialen Luftführung ergeben, und die daraus abgeleitete ungleichmäßige Temperaturverteilung
sich eliminieren lassen, womit auch die erwähnten Spannungsprobleme im Kern vermieden werden können.
- 7 - Patentansprüche
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Claims (7)
1. Belüftungseinrichtung für dynamoelektrische Maschinen mit einem
Rotor, der einen zylindrischen und lameliierten sowie eine Wicklung tragenden Kern aufweist, wobei der Kern mit in Längsrichtung
verteilten und radial verlaufenden Kühlluftkanälen versehen ist, welche in Längskanäle im Rotor für die Luftführung münden, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ouerschnittsbereich der Längskanäle (30) vom einen Ende zum anderen Ende hin abnimmt.
2. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,
daß die Längskanäle (30) zwischen dem Kern (10) des Rotors und der Welle (12) verlaufen.
3. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle in Form von Ausnehmungen in der Oberfläche
der Welle (12) ausgebildet sind, wobei die Längskanäle vom einen zum anderen Ende des Kernes eine zunehmend größere Tiefe aufweisen.
4. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gek enn ζ e i chn et,
daß die Längskanäle (30) eine im wesentlichen konstante Breite aufweisen, und daß die Tiefe der Längskanäle gleichförmig vom einen
Ende zum anderen Ende des Kernes in radialer Richtung abnimmt.
5. Belüftungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der kleinste Querschnittbereich der Längskanäle benachbart zu dem letzten radial durch den Kern verlaufenden
Kühlluftkanal (34) liegt, und daß der kleinste Querschnitts bereich etwa dem Querschnitt des letzten, in den Längekanal mündenden
Kühlluftkanales entspricht.
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253U00
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6. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längskanäle eine keilförmig vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes abnehmende Tiefe
aufweisen.
7. Belüftungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand der die Längskanäle
(30) begrenzenden Vorsprünge (28) vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes im wesentlichen konstant ist, und daß
die Bodenfläche der Längskanäle vom einen Ende zum anderen Ende des Kernes gleichmäßig keilförmig verläuft.
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Ao
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