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Rotor einer elektrischen Maschine
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Bei Rotoren einer elektrischen Maschine ist die Rotorrabe im allgemeinen
mittels einer für die Betriebsdrehmomente ausgelegten Reibverbindung auf der Welle
befestigt, z.B. mit einem Schrumpfsitz. In den Anlagen, in welche elektrische Maschinen
eingesetzt werden, können infolge von Fehlschaltungen gegenüber den normalen betriebsmäßigen
Drehmomenten extrem hohe Störmomente auftreten. Bei Wechselstrommaschinen sind diese
Störmomente .zudem noch periodisch pulsierend, so daß auch mit Resonanzverstärkungen
gerechnet werden muß. Die Anregungsfrequenzen sind dabei jeweils die einfache und
die doppelte Speisefrequenz der elektrischen Maschine. Während bei Anlagen mit stationärer
Drehzahl die anregenden Frequenzen gleichbleibend sind, ist bei Anlagen mit variabler
Drehzahl, z.B. bei über Stromrichter mit variabler Frequenz gespeisten Drehfeldmaschinen
oder auch bei Asynchronmaschinen mit unt ç synchroner Stromrichterkaskade, ein breites
Frequenzband der Störfallarregungen möglich.
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Die bei derartigen Störfällen entstehenden sehr großen Wellendrehmomente
erfordern zu ihrer Beherrschung eine entsprechende Auslegung des Rotorwellenstranges
oder besondere Sicherheitsvorkehrungen. Dazu ist es bekannt, in Rotorwellensträngen
Sicherheitskupplungen vorzusehen, die bei Überschreiten eines bestimmten Drehmomentes
den Wellenstrang dadurch schützen, daß eine bisherige Reibverbindung in eine Gleitverbindung
übergeht (DT-AS 1 229 791) oder durch die .B. durch Abscheren von Brechbolzen
die
Verbindung unterbrochen wird (US-PS 2 739 463). Derartige Sicherheitskupplungen
erfordern aber häufig zusätzliche Lager innerhalb des Rotorwellenstranges.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits die
Verbindung der Rotornabe mit der Welle so auszubilden, daß oberhalb des Betriebsdrehmoment
es liegende Stördrehmomente keinen Schaden am Rotor bzw. am Wellenstrang hervorrufen
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Rotor einer elektrischen Maschine,
bei welchem die Rotornabe mittels einer für die Betriebsdrehmomente ausgelegten
Reibverbindung auf der Welle befestigt ist, gemäß der Erfindung so ausgebildet,
daß die Reibverbindung bei einem vorher bestimmten, oberhalb des Betriebsdrehmomentes
liegenden Drehmoment in eine Gleitverbindung übergeht und daß parallel zur Reibverbindung
liegende, die Rotornabe und die Welle verbindende Federn vorgesehen sind.
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Bei dem Auftreten von Stördrehmomenten, die in vorher festgesetzter
Weise oberhalb des Betriebsdrehmomentes liegen, wird durch das Gleiten der Reibverbindung
eine Übertragung des Drehmomentes von der Rotornabe auf die Welle oder umgekehrt
vermieden und gleichzeitig werden die parallel geschalteten Federn gespannt, so
daß eine Rückstellkraft entsteht, welche die Rotornabe in ihre Ursprungslage zurückbringen
will. Die Federn werden so ausgelegt, daß ihre Rückstellkraft ausreicht, die Rotornabe
gegen die Reibkraft in eine vorgeschriebene Nachbarschaft der ursprünglichen Lage
zurückzuschieben. Man erreicht dadurch beim Auftreten von Stördrehmomenten eine
Ausschlags- und Verschiebungsbegrenzung, was insbesondere dann von Vorteil ist,
wenn durch zu große Verschiebungen der Rotornabe eine Beschädigung von Verbindungsleitungen
zu befürchten ist.
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Als Federn können mit Vorteil drehelastische Federn oder axial auf
Druck vorgespannte Federn verwendet werden, je nach Art der gewählten Reibverbindung.
So sind Elastomerhülsen- oder --ringfedern geeignet oder auch Teller- oder Drahtkissenfedern,
wenn
diese in elastomerfeindliche Umgebung, z.B. in Kernkraftwerken,
eingesetzt werden sollen.
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Ein besonders einfacher Aufbau von geringem Raumbedarf ergibt sich,
wenn die Innenbohrung der Rotornabe mit einem Schrumpfsitz auf der Welle befestigt
ist, der bei einem bestimmten Drehmoment in einen Gleitsitz übergeht und drehelastische
Federn zwischen der Seitenwand der Rotornabe und der Welle liegen.
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Eine genauere Einstellung des Grenzmomentes ist möglich, wenn die
Seitenflächen der Rotornabe über eine axial vorgespannte Klemmverbindung auf der
Welle befestigt sind und die Welle und die Innenbohrung der Rotornabe mit den Mantelflächen
einer die Welle konzentrisch umgebenden Elastomerhülsenfeder verbunden sind. Hier
wird die Reibkraft der Klemmverbindung lediglich durch den Reibungskoeffizienten
und die Klemmkraft bestimmt und ist nicht wie bei einem Schrumpfsitz abhängig von
nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen.
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Anstelle einer Klemmverbindung können auch mit Vorteiltangentialaxial
geneigte Gleitebenen an den Seitenflächensder Rotornabe bzw.
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an den gegenüberstehenden Stirnflächen der Welle vorgesehen sein,
in Verbindung mit axial vorgespannten Federn. Das Rutschmoment, d;.h. das Grenzmoment,
bei welchem die vorher starre Reibverbindung in eine elastische Verbindung mit Reibungsdärupfung
übergeht, ist dann außer vom Reibungskoeffizienten auch von dem Gleitebenenwinkel
abhängig zusammen mit der über die Federzusammendrückung genau einstellbaren axialen
Vorspannkraft. Es ist dadurch eine sehr genaue Einstellung des Rutschmomentes möglich.
Es empfiehlt sich, den Gleitebenenwinkel i und die Reibungswerte an den Gleitebenen
so,zu wählen, daß der Reibungswinkel = arctg /u (wobei /u der Reibwert ist) kleiner
als der GleitebenenwinkelcC ist.
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Dadurch erreicht man, daß die Teile bei Verschwinden der äußeren Momente
wieder in ihre ursprüngliche Lage zueinander zurückkehren.
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Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Fig. 1 bis 8
dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1, 3, 4 und 7 zeigen jeweils Längsschnitte
durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Rotor einer elektrischen Maschine.
Die Fig.2, 5 und 8 zeigen Schnitte entlang der entsprechenden Schnittlinien in den
dazugehörigen Längsschnitten. Die Fig. 6 ist als Teil eines Längsschnittes dargestellt,
eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Für gleiche Teile sind jeweils die
gleichen Bezugszeichen beibehalten.
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Die Rotornabe 1 einer elektrischen Maschine, z.B. einer Erregermaschine
für schleifringlos über umlaufende Gleichrichter erregte Synchronmaschinen, ist
mit einem Schrumpfsitz 2 auf der Welle 3 befestigt. Ferner sind an den Seitenwänden
4 der Rotornabe auf gleichem Durchmesser liegende Mittelbolzen 5 von Elastomerhülsenfedern
6 befestigt (siehe Fig. 1 und 2). Die äußeren Mantelflächen der Elastomerhülsenfeder
6 sind ihrerseits in Bohrungen 7 eines Kupplungsflansches 8 befestigt, der ebenfalls
auf die Welle 3 aufgeschrumpft ist. Der Kupplungsflansch 8 ist mit einem weiteren
Kupplungsflansch 9 verbunden, der auf der Welle 10 des Rotorwellenstranges sitzt.
Zur Verbindung zwischen den beiden Kupplungsflanschen 8 und 9 dienen die jeweils
zwischen den Elastomerhülsenfedern 6 liegenden Bolzen 11.
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Der Schrumpfsitz 2 der Rotornabe 1 ist so bemessen, daß die Verbindung
bei der Übertragung des normalen Betriebsdrehmomentes fest ist. Erst bei Auftreten
eines wesentlich höheren Stördrehmomentes, dessen Grenzwert von vornherein festgelegt
ist, löst sich die durch den Schrumpfsitz 2 gebildete Reibverbindung und die Rotornabe
1 fängt an auf der Welle 3 zu rutschen, d.h. die bisherige Reibverbindung geht in
eine Gleitverbindung über. Durch die Verdrehung der Rotornabe 1 auf der Welle 3
werden jedoch die Elastomerhülsenfedern 6 gespannt und sie üben eine Rückstellkraft
aus, welche die Rotornabe 1 wieder in die Ursprungslage zurückführen will. Durch
den Übergang von der Reibverbindung zur Gleitverbindung wird das übertragbare Drehmoment
begrenzt und zudem ehe Verstimmung bei etwaigen Resonanzvcrgängen erreicht.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Rotornabe
1 durch eine Klemmverbindung mit der Welle 3 verbunden. Zu diesem Zweck sind auf
den Seitenflächen 4 der Rotor nabe 1 schräge Stützflächen 12 angebracht, die sich
auf der einen Seite auf entsprechend schrägen Stützflächen 13 des Kupplungsu flansches
8 abstützen und auf der anderen Seite auf Stützflächen 1L eines Stützringes 15.
Die erforderliche axiale Klemmkraft wird mittels eines Klemmgewinderinges 16 aufgebracht,
der sich über die lilemmgewindehUlse 17 am benachbarten, auf die Welle 3 aufgeschrumpften
Kupplungsflansch 8 abstützt.
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Außerdem sind die Welle 3 und die Innenbohrung 18 der Rotornabe 1
mit den Mantelflächen 19 einer die Welle 3 konzentrisch umgebenden Elastomerhülsenfeder
20 verbunden.
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Die axiale Klemmkraft, welche die Klemmverbindung herstellt, wird
so bemessen, daß die Verbindung erst bei einem wesentlich höher als dem Betriebsdrehmoment
liegenden Stördrehmoment von einer Reibverbindung in eine Gleitverbindung übergeht,
so daß das Stördrehmoment nicht voll übertragen wird. Das Ruts.chmoment läßt sich
verhältnismäßig genau einstellen, da es nur durch den Reibungskoeffizienten an den
schrägen Stützflächen 12, 2 , 13 und durch die axiale Klemmkraft bestimmt wird.
Durch das Rutschen der Rotornabe 1 auf der Welle 3 wird die Elastomerfeder 20 gespannt
und versucht, mittels ihrer Rückstellkraft wieder die Ursprungslage herzustellen.
Der mögliche Verdrehwinkel zwischen der Rotornabe 1 und der Welle 3 ist somit beschränkt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die Fig. 4 und
5. Als Reibverbindung zwischen der Rotornabe 1 und der Welle 3 dienen stirnseitig
gezahnte Gleitebenenringe 21/22 mit einem Gleitebenenwinkel α zwischen der
Gleitebene 33 und der Ebene senkrecht zur Wellenachse. Die Gleitebenenringe 21/22
sind separat ausgebildet und der Gleitebenenring 21 ist starr an der Seitenfläche
4 der Rotornabe 1 befestigt, swährend der Gleitebenenring 22 mit Bolzen 34 an dem
Kupplungsflansch 8 der Welle 3 be-
festigt ist, die gleichzeitig
auch zur Verbindung zwischen den Kupplungsflanschen 8 und 9 ausgenutzt werden. Auf
der gegenüberliegenden Seitenwand 4 der Rotornabe 1 ist eine axial wirkende Feder
23 vorgesehen, nämlich eine Elastomerringfeder. Weiterhin sind zwischen der Feder
23 und dem auf dieser Seite liegenden Kupplungsflansch 8 der Welle 3 mehrere Einzelschrauben
24 angeordnet, die auf die Feder 23 eine einstellbare axiale Druckvorspannung ausüben.
Diese Druckvorspannung wirkt sich ebenso auf die Gleitebenenringe 21 und 22 aus.
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Die Druckvorspannung ist so eingestellt, daß die normalen Betriebsdrehmomente
ohne Schwierigkeit über die dann aus reine Reibverbindung wirkenden Gleitringe 21/22
übertragen werden. Bei einem mit Hilfe der axialen Federkraft genau einstellbaren
höheren Stördrehmoment, dem sogenannten Grenzmoment, das vom Reibwert /u und dem
Gleitebenenwinkel & abhängt, können sich die Gleitebenen gegeneinander verdrehen,
so daß höhere Momente nicht mehr in voller Höhe übertragen werden. Solange der ReibungswinkelS
zwischen beiden Gleitebenenringen 21 und 22 kleiner als der Winkel o ist, kehren
die Gleitebenenringe 21/22 beim Verschwinden äußerer Momente wieder in die ursprüngliche
Lage zueinander zurück. Die beschriebene Anordnung hat somit eine stark nichtlineare
Charakteristik und außerdem wirkt sich die Reibungsdämpfung positiv auf die Beherrschung
resonanzartiger Störfälle aus. Für die Passung zwischen der Innenbohrung 18 der
Rotornabe 1 und der Welle 3 ist, da hier kein Drehmoment übertragen werden muß,
ein Übergangs-oder höchstens ein leichter Schrumpfsitz ausreichend.
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Anstelle der in diesem Ausfuhrungsbeispiel verwendeten separaten Gleitebenenringen
21 und 22 können die Gleitebenen ebenfalls direkt auf der Seitenwand 4 der Rotornabe
1 bzw. in die gegenüberliegende Stirnwand des Kupplungsflansches 8 eingearbeitet
werden.
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Fig. 6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, bei
welchem die Rotornabe 1 an einem freien Ende der Welle 3
befestigt
ist. In diesem Fall kann die axiale Druckvorspannung auf die Feder 23 durch eine
Gewindeverschraubung hervorgerufen werden. Das dafür erforderliche Stützgewinde
25 ist direkt auf der Welle 3 angebracht und die Spannmutter 26 wird soweit aufgedreht,
bis die gewünschte Federkraft im Hinblick auf das Grenzmoment vorhanden ist. Diese
Lage der Spannmutter 26 wird durch eine Madenschraube 27 gesichert.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 sind schließlich keine
zahnartigen Gleitebenen vorhanden, sondern in der einen Seitenwand 4 der Rotornabe
1 sind Kugelkappenechrauben 28 befestigt, denen gleich viele kegelförmige Einsenkungen
29 im Gleitebenenring 22 gegenüberliegen. Als Gleitebenenwinkelct zählt hier der
Neigungswinkel der kegelförmigen Einsenkungen 29.
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Außerdem ist als axial vorgespannte Feder eine Tellerfeder 30 verwendet,
die mit Hilfe der Gewindehülse 31, die sich am Wellenflansch 8 abstützt, und der
Spannmutter 32 die gewünschte Vorspannung erhält. Bei der oberhalb des Grenzmomentes
auftretenden Relativbewegung zwischen Rotornabe 1 und Welle 3 muß auch der Gleitwiderstand
zwischen der Tellerfeder 30 und der Seitenwand 4 der Rotornabe 1 überwunden werden.
Ansonsten entspricht die Anordnung jedoch in ihrer Funktion dem Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 4 und 5.
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10 Ansprüche 8 Figuren
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