DE69014642T2

DE69014642T2 - Läufer mit reduzierten ventilationsverlusten.

Info

Publication number: DE69014642T2
Application number: DE69014642T
Authority: DE
Inventors: Warren Brook; James Grant; William Miller
Original assignee: Rem Technologies Inc
Current assignee: Rem Technologies Inc
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2010-07-06
Also published as: WO1991003859A1; JPH0759137B2; EP0489859B1; AU6428190A; KR920702063A; AU628670B2; BR9007319A; JPH0393438A; CA2044278A1; EP0489859A4; US5001378A; DE69014642D1; EP0489859A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein umlaufende Dynamomaschinen und insbesondere eine verbesserte Rotorkonstruktion, die verringerte Ventilationsverluste zeigt.

Stand der Technik

Induktor-Dynamomaschinen sind in der Vergangenheit verwendet worden, um einen Betrieb bei hohen Drehzahlen insbesondere zur Stromerzeugung zu verwirklichen. Derartige Maschinen sind im allgemeinen durch einen Stator gekennzeichnet, der sowohl einen Wechselstromanker als auch Gleichstromerregerwicklungen einschließt, die einen wicklungslosen Rotor umgeben. Da es bei diesem Typ einer Dynamomaschine keine sich drehenden Feld- oder Ankerwicklungen gibt, können Schleifringe, Bürsten und dazugehörige Verbindungen, die bei Maschinen mit sich drehenden Wicklungen üblich sind, vollständig vermieden werden. Dieses Merkmal, verbunden mit der typischen massiven Konstruktion des Maschinenrotors, macht die Induktormaschine besonders verwendbar für Anwendungen mit großer Drehzahl.
Eine bekannte Ausführung einer Induktor-Dynamomaschine verwendet eine Anordnung von in Umfangsrichtung verteilten "C-" oder "U-"förmigen Ankerelementen, die eine im wesentlichen zylindrische Feldwicklung umgeben, die dann wieder einen magnetischen Transversalpolrotor umgibt. Die US-Patente 437,501 und 2,519,097 und 3,912,958 beschreiben frühere Maschinen dieser allgemeinen Bauart. Derartige Maschinen verwendeten typischerweise auf einem Rahmen montierte Lagerelemente zum direkten Tragen der einzelnen Komponenten des Stators und litten unter Unzulänglichkeiten, die bei dieser Konstruktion angetroffen wurden.
Eine neuere Version einer derartigen Induktormaschine ist in dem ebenfalls in unserem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 4,786,834 offenbart, das am 22. November 1988 auf den Namen von James J. Grant et al. veröffentlicht wurde. Die darin beschriebene Verbesserung umfaßt ein spulenähnliches Halterungsteil zum Tragen der Feldwicklung und der Ankerelemente von innen und zum genauen Positionieren der Ankerelemente. Das spulenähnliche Halterungsteil ist aus nichtmagnetischem Material hergestellt und weist einen hohlen, langestreckten zentralen Abschnitt auf, der sich konzentrisch um eine Längsachse erstreckt. Dieser zentrale Abschnitt trägt eine Feldwicklung und definiert einen inneren, in Längsrichtung verlaufenden Durchgang zum Aufnehmen des Einsatzes eines koaxialen Rotors. An jedem Ende des zentralen Abschnitts erstrecken sich Endabschnitte von demselben radial nach außen. Jeder dieser Endabschnitte ist vorzugsweise mit radial ausgerichteten Nuten in seiner axial äußersten Oberfläche versehen. Die Nuten sind so ausgeführt, daß sie Schenkel von im wesentlichen U-förmigen Ankerkernelementen aufnehmen und ausrichten, die ein in Umfangsrichtung verteiltes Muster bildend um den Umfang des spulenähnlichen Teils verteilt sind. Die Endabschnitte des spulenähnlichen Halterungsteils sind axial beabstandet und radial dimensioniert, und die Nuten in der äußeren Fläche jedes Endabschnitts sind in Winkelrichtung beabstandet, so daß die Ankerelemente in drei orthogonalen Richtungen genau positioniert werden.
Für Kühlzwecke sind Kühlöffnungen in dem zentralen Abschnitt des spulenähnlichen Halterungsteils vorgesehen. Diese Öffnungen sind nahe an den Enden des zentralen Abschnitts gelegen und stehen mit ausgedehnten Ausnehmungen in der Oberfläche eines einstückigen überstehenden, homopolaren Transversalpolrotors in Verbindung, der in dem zentralen Abschnitt drehbar gelagert ist. Der Rotor wirkt als Flügelrad und drückt ein Kühlmedium zentrifugal durch die Kühlöffnungen und in die Nähe der Feldwicklung und der Ankerwicklungen.
Andere Merkmale, Aspekte, Vorzüge und Vorteile dieser kürzlich entwickelten, bewährten Dynamomaschine sind in dem US-Patent 4,786,834 genau beschrieben.
Bei hohen Drehzahlen können Dynamomaschinen, die überstehende Polrotoren verwenden, beträchtliche Ventilationsverluste erfahren. Diese Verluste ergeben sich dadurch, daß Luft in den untersten Teil der zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen gezogen wird und dann nach außen in Richtung auf die Spitze der Polfläche geschleudert wird. In einer Maschine nach dem US- Patent 4,786,834 wird diese Luft dann gezwungen, zwischen den inneren Flächen der U-förmigen Ankerteile zu entweichen, die nur Tausendstel Zoll von den Polspitzen entfernt sind, wodurch zusätzlich zu starker Geräuschentwicklung hohe Ventilationsverluste auftreten. Wenn der axiale Luftstrom zum Boden der zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen blockiert wird, wird der größte Teil der auf diesen Strömungsweg zurückzuführenden Ventilationsverluste beseitigt, wodurch folglich mehr Leistung in der Dynamomaschine für eigentliche Arbeit übriggelassen wird.
In der Vergangenheit ist vorgeschlagen worden, die zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen durch Befestigen von scheibenähnlichen Abdeckungen auf der Außenseite von denselben oder durch Füllen der Ausnehmungen mit einem nichtmagnetischen Material zu schließen. (Siehe US-Patente 3,157,806 und 3,737,696 und NASA Report 701-011-00-06-22, mit dem Titel "Prediction of Windage Power Loss in Alternators", datiert vom 26. Juli 1968.) Das US-Patent 3,528,620 beschreibt eine gehäuseähnlich ausgebildete Abdichtung für die Pole eines Rotors für hohe Drehzahlen, bei der einzelne Sätze von Rotorpolen durch ein Paar Endplatten und eine Hülse eingeschlossen werden. Ein Konferenzbeitrag, veröffentlicht in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Band AES-2, Nr. 4, Juli 1966, Seiten 103-105, beschreibt die Verwendung von Scheiben, die an einem Rotor angebracht sind, um Luftwiderstandsverluste bei hohen Drehzahlen zu verringern. Diese Lösungsansätze konnten die Ventilationsverluste verringern, aber sie leiden unter gewissen Unzulänglichkeiten, und sie sind nicht optimiert worden, um sowohl einen dauernden Betrieb bei hohen Drehzahlen als auch eine bequeme, wirtschaftliche Konstruktion eines Rotors zu ermöglichen, der insbesondere in einer Dynamomaschine des Typs verwendbar ist, der im US-Patent 4,786,834 beschrieben ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Bedarf befriedigt und werden zusätzliche Vorteile durch Bereitstellung eines Rotors für eine Dynamomaschine verwirklicht, der verringerte Ventilationsverluste zeigt, wobei der Rotor von einer überstehenden homopolaren Transversalpol-Konstruktion ohne Windungen ist, wobei der Rotor um eine zentrale Längsachse drehbar ist, wobei der Rotor umfaßt: einen sich axial erstreckenden, massiven zylindrischen Körper; und einen ersten Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden vorspringenden Polen mit in Umfangsrichtung beabstandeten Ausnehmungen zwischen denselben an einem Ende des zylindrischen Körpers und einen zweiten Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden vorspringenden Polen mit Ausnehmungen zwischen denselben an dem anderen Ende des zylindrischen Körpers; wobei der Rotor eine transversal sich erstreckende innere Abdeckeinrichtung aufweist, die an den axial inneren Enden des ersten und zweiten Satzes von vorspringenden Polen zur Abdeckung axial innerer Enden der Ausnehmungen gelegen ist; eine transversal sich erstreckende äußere Abdeckeinrichtung, die an den axial äußeren Enden des ersten und zweiten Satzes von vorspringenden Polen zur Abdeckung axial äußerer Enden der Ausnehmungen gelegen ist; und eine Welleneinrichtung, die axial von der äußeren Abdeckeinrichtung wegläuft, um den Rotor zur Drehung um die Längsachse zu lagern, wobei der Rotor dadurch gekennzeichnet ist, daß die äußeren und inneren Abdeckeinrichtungen und vorspringenden Pole einstückig mit dem zentralen zylindrischen Körper sind; und die angeformten Abdeckeinrichtungen, die vorspringenden Pole und der zylindrische Körper aus einem magnetischen Material bestehen und eine Umfangsoberfläche längs einer radial äußeren Kante der äußeren Abdeckeinrichtung und der inneren Abdeckeinrichtung derart ausgebildet ist, daß sich die vorspringenden Pole radial weiter nach außen erstrecken als die äußeren und inneren Abdeckeinrichtungen, um eine magnetische Zentrierung des Rotors zu erleichtern.
Zusammenfassend ist das Prinzip der Erfindung ein überstehender, homopolarer Transversalpolrotor mit Abdeckungen auf den axial inneren und axial äußeren Seiten von zwei axial beabstandeten Sätzen in Umfangsrichtung beabstandeter vorspringender Pole mit beabstandeten Ausnehmungen zwischen den Polen. Die Abdeckungen bilden mit den Polen eine Einheit, um eine mechanische Festigkeit zu maximieren, und erstrecken sich in radialer Richtung weniger weit als die Pole, um eine magnetische Zentrierung sicherzustellen. Ein zentraler zylindrischer Körperabschnitt des Rotors, der sich axial zwischen den inneren Abdeckungen erstreckt, weist im Vergleich zu der inneren Abdeckung vorzugsweise eine verringerte radiale Abmessung auf, um Ventilationsverluste weiter zu verringern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind die zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen mit nichtmagnetischem Material gefüllt, um eine äußere sich in Umfangsrichtung erstreckende zylindrische Oberfläche in den Polbereichen zu bilden. Das nichtmagnetische Material kann durch ein Plasmalichtbogen- Heißdraht-Schweißverfahren aufgetragen werden und dann maschinell bearbeitet werden, um die gewünschte äußere zylindrische Oberfläche herzustellen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das nichtmagnetische Material maschinell bearbeitete Einsatzstücke umfassen, die in den zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen durch mechanische Befestigungsmittel, die sich durch die Abdeckungen erstrecken, Schwalbenschwanzverbindungen oder eine unter Spannung stehende Umfangsbandage festgelegt sind.
Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung können die Abdeckungen beseitigt sein und die Einsatzstücke mit sich nach außen erstreckenden Ohren versehen sein, die mit einem Paar axial beabstandeter sich in Umfangsrichtung erstreckender unter Spannung stehender Bänder zusammenwirken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Ziele, Vorzüge und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden leichter aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn man diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet. In diesen zeigen:
Fig. 1: einen von der Seite her gesehenen Schnitt durch eine Induktor-Dynamomaschine mit einem erfindungsgemäß konstruierten Rotor, bei welchem Ventilationsverluste sehr klein sind;
Fig. 2: eine isometrische Ansicht des Rotors von Fig. 1;
Fig. 3: eine Seitenansicht, die zum Verständnis einer mit der Erfindung erhaltenen magnetischen Zentrierung dient und einen zentralen, verminderten Durchmesser aufweisenden Körperabschnitt des Rotors zeigt, der Ventilationsverluste weiter verringert;
Fig. 4: eine isometrische Teilansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors;
Fig. 4A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 4;
Fig. 4B: eine Endansicht des Rotors von Figur 4;
Fig. 5: eine isometrische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das mechanische Befestigungsmittel zum Befestigen von nichtmagnetischem Material in zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen verwendet;
Fig. 5A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 5;
Fig. 5B: eine Endansicht des Rotors von Figur 5;
Fig. 6: eine isometrische Teilansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors, bei dem Schwalbenschwanzverbindungen verwendet werden;
Fig. 6A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 6;
Fig. 6B: eine Schnittsansicht längs der Linie A-A von Figur 6A;
Fig. 7: eine isometrische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierten Rotors, das eine wie ein Weihnachtsbaum gestaltete Verbindung einschließt;
Fig. 7A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 7;
Fig. 7B: einen Schnitt längs der Linie B-B von Figur 7A;
Fig. 8: eine isometrische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das eine Umfangsbandage verwendet, um Einsatzstücke in zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen zu befestigen;
Fig. 8A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 8;
Fig. 8B: eine Endansicht des Rotors von Figur 8;
Fig. 9: eine isometrische Teilansicht noch eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das eine Umfangsbandage ohne Abdeckungen verwendet;
Fig. 9A: eine Seitenansicht des Rotors von Figur 9; und
Fig. 9B: eine Endansicht des Rotors von Figur 9. Ausführliche Beschreibung
In Fig. 1 ist eine umlaufende Wechselstrom-Induktor- Transversalpol-Dynamomaschine gezeigt, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die insgesamt mit 10 bezeichnete Maschine schließt eine stationäre Statoranordnung 12 ein, die einen drehbaren wicklungslosen Rotor 14 umgibt. Ein umgebendes Gehäuse oder ein umgebender Rahmen 16 umgibt in Umfangsrichtung verlaufend die Statoranordnung 12. Endschilde 15 sind durch Befestigungsschrauben 17 an den beiden Enden des Gehäuses 16 befestigt und tragen drehbar Enden des Rotors 14.
Die Statoranordnung 12 schließt ein inneres spulenartiges Halterungsteil 30 ein. Das Halterungsteil 30 weist einen zentralen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt oder ein Rohr 32 auf, der/das koaxial zu einer Längsachse 18 ist und einen inneren, sich längs erstreckenden zentralen Durchgang zur Aufnahme des Rotors 14 begrenzt. Feld-(oder Gleichstromerregungs)Wicklungen 34 sind um die äußere Oberfläche des Rohres 32 gewickelt und werden von ihm getragen.
Das Stator-Halterungsteil 30 schließt auch ein Paar plattenförmige Endteile 36 ein, die sich von den Enden des Rohres 32 radial nach außen erstrecken. Die Endplatten 36 dienen dazu, eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilter U- förmiger Ankerkernelemente 38 (auf die auch als C- oder bogenförmig Bezug genommen wird) zu lagern und genau zu positionieren. Jedes Ankerkernelement 38 ist vorzugsweise mit einer separaten Wechselstrom-Ankerwicklung 40 versehen, die um einen im wesentlichen sich in Längsrichtung erstreckenden Basisabschnitt 42 des Ankerelementes gewickelt ist und von diesem getragen wird. Schenkel 44 erstrecken sich von jedem Ende des Basisabschnitts 42 des Ankerelements 38 radial nach innen. Die Ankerkernelemente 38 sind aus magnetischem Material hergestellt, während das Halterungsteil 30 aus nichtmagnetischem Material besteht, beispielsweise Aluminium. Elektrische Leitungen 46 von den Feld- und Ankerwicklungen erstrecken sich durch ein geeignetes Anschlußstück 48, das in eines der Endschilde 15 eingebaut ist.
Die Statoranordnung 12 wird vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 16 durch Befestigungsschrauben 52 positioniert und festgelegt, die sich durch radiale Verlängerungen 54 der Endplatten 36 in dazwischenliegende Tragteile 56 erstrecken. Die Tragteile 56 sind in Richtung des Umfangs über die Innenfläche des Gehäuses 16 verteilt und an dieser befestigt. Diese bevorzugte Befestigungsweise ist ausführlich in einer gleichzeitig angemeldeten, ebenfalls in unserem Besitz befindlichen US- Patentanmeldung Serial No. 07/395,032, eingereicht am 17. August 1989, mit dem Titel "Stator Mounting Arrangement", beschrieben.
Der Rotor 14 erstreckt sich längs der und ist koaxial mit der Längsachse 18. Der Rotor weist vorzugsweise eine massive einteilige Konstruktion auf und wird durch Lager 20 an jedem Ende einer Rotorwelle 22 gehalten. Die Lager 20 sind in die Endschilde 15 eingesetzt. Der Rotor 14 weist einen zentralen zylindrischen Körperabschnitt 24 auf, der an seinen Enden mit in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden von der Oberfläche zurückspringenden Ausnehmungen oder Ausschnitten 26 versehen ist, die eine gewünschte Anzahl oder einen gewünschten Satz von Nasen oder vorspringenden Polen 28 an jedem Ende des homopolaren Transversalpolrotors vorgeben. Wie im folgenden ausführlich beschrieben ist, sind auf jeder Seite jedes Satzes von vorspringenden Polen 28 innere Abdeckungen 29 und äußere Abdeckungen 31 vorgesehen, um Ventilationsverluste zu verringern. Der Rotor kann aus irgendeinem erhältlichen magnetischen Material hergestellt sein, beispielsweise Kohlenstoffstahl.
Das Arbeiten der Maschine 10 ist für synchrone Wechselstrommaschinen insofern typisch, als, dann wenn den Feldwicklungen 34 ein elektrischer Strom zugeführt wird und der Rotor 14 durch einen externen Antrieb gedreht wird, eine Spannung in den Ankerwicklungen 40 nach Art eines Generators induziert wird. Ähnlich wird, wenn die Ankerwicklungen in einer solchen Art und Weise von Strom durchflossen werden, daß sie eine umlaufende Flußwelle im Spalt 50 erzeugen, der zwischen den in Radialrichtung innersten Enden der Ankerelemente 38 und den Oberflächen der Rotorpole 28 vorhanden ist, wie es bei mehrphasigen synchronen Wechselstrommaschinen gemacht wird, der Rotor 14 der Maschine gezwungen, der Ankerflußwelle zu folgen und nach Art eines elektrischen Motors zu drehen.
Weitere Einzelheiten der Konstruktion und des Betriebs und der Vorteile, die durch eine umlaufende Induktor-Dynamomaschine dieser allgemeinen Konfiguration geliefert werden, können durch Bezugnahme auf US-Patent 4,786,834 erhalten werden. Die Endteile 36 eines spulenähnlichen Halterungsteils 30 können eine Laminat-Konstruktion sein, wie in der ebenfalls in unserem Besitz befindlichen, gleichzeitig eingereichten US-Anmeldung Serial No. 226,048 beschrieben ist, die am 29. Juli 1988 eingereicht wurde, nun US-Patent No. 4,864,176.
Eine bevorzugte Ausführungsform des verbesserten Rotors 14 der vorliegenden Erfindung ist in Figur 2 veranschaulicht. Wie gezeigt, ist an jedem Ende des zentralen zylindrischen Körpers 24 ein Satz in Umfangsrichtung beabstandeter, sich axial erstreckender, vorspringender Pole 28 angeordnet. Die Pole in jedem Satz sind durch die zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen 26 getrennt, die vorzugsweise flache Absatzflächen oder Basen 58 aufweisen. Obwohl drei gleich beabstandete vorspringende Pole 28 in jedem Satz gezeigt sind, können die Anzahl, der Abstand und andere Merkmale der Pole gemäß den Konstruktions-Spezifikationen für eine Maschine variieren.
Um Ventilationsleistungsverluste zu verringern, ist am axialen äußeren Ende jedes Satzes der vorspringenden Pole 28 eine äußere Abdeckung 31 vorgesehen. Die Abdeckung 31 schließt das äußere Ende der Ausnehmungen 26 ab, wodurch ein axialer Luftstrom in die Ausnehmungen blockiert wird und dadurch Ventilationsverluste verringert werden. Die Abdeckung 31 ist aus demselben Stück Material wie der zylindrische Körper 24 und die Pole 28 hergestellt. Diese integrale einstückige Konstruktion erlaubt, daß der Rotor hohe Drehzahlen und große Leistung erreicht, ohne die Gefahr, daß sich Stücke oder Teile während eines derartigen Betriebs von dem Rotorkörper ablösen.
Die Abdeckung 31 weist vorzugsweise eine scheibenförmige Gestalt auf. Die äußere Umfangsoberfläche 60 der Abdeckung 31 ist derart maschinell bearbeitet, daß sich die Polfläche radial über die Abdeckung 31 hinaus erstreckt. Die durch die Umfangsoberfläche 60 vorgegebene Kontur, welche man entlang der äußeren Kante der Abdeckung 31 erhält, dient dazu, eine magnetische Zentrierung des Rotors sicherzustellen, wie ausführlicher im folgenden beschrieben wird.
Eine innere Abdeckung 29 ist an dem axial inneren Ende jedes Satzes der vorspringenden Pole 28 vorgesehen. In dem in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfaßt die Abdeckung 29 den axial äußeren Abschnitt des zentralen zylindrischen Körpers 24. Wie bei der Abdeckung 31 ist durch Abdrehen ein Spalt oder eine Umfangsoberfläche 62 am äußeren Rand der Abdeckung 29 hergestellt worden, so daß sich die äußeren Flächen der Pole 28 radial weiter als die innere Abdeckung 29 erstrecken. Die innere Abdeckung 29 ist selbstverständlich einstückig mit dem Rest des Rotors 14 ausgebildet.
Wie am besten in Figur 3 gesehen werden kann, führen die Umfangsoberflächen 60 und 62 in der äußeren Abdeckung 31 bzw. inneren Abdeckung 29 zu hervorgehobenen Polspitzen 64. Die hervorgehobenen Polspitzen 64 erstrecken sich weiter in radialer Richtung als die Abdeckungen 29 oder 31 und befinden sich deshalb näher an den inneren Flächen der Ankerkerne 38. Dies ist wichtig, weil die Abdeckungen, die aus demselben Material wie die Pole 28 gebildet sind, magnetisch sind. Die hervorgehobenen Polspitzen verhindern, daß die Abdeckungen in das Magnetfeld unter den Ankerkernen gezogen werden, und demgemäß bleibt der Rotor auf seinem magnetischen Zentrum. Dieses Merkmal erlaubt, daß der Rotor ohne ein Axialdrucklager gelagert wird und beseitigt unerwünschte axiale Bewegung und Kräfte, die zu einer Verkürzung der Lagerlebensdauer führen können. Die Hervorhebung der Polspitzen vermindert auch eine Flußleckage.
Die Menge Material, die längs der äußeren Oberfläche einer inneren Abdeckung 29 und einer äußeren Abdeckung 31 maschinell entfernt wird, kann variieren. Bei einer Prototypenmaschine wurden ungefähr 4% des Rotorradius (d.h. des Radius des zentralen zylindrischen Körpers 24) maschinell entfernt.
Bei Dynamomaschinen mit höherer Leistung werden Ventilationsverluste auch durch den großen glatten zentralen zylindrischen Rotorkörper erzeugt, der mit hoher Drehzahl umläuft. Die Umfangsgeschwindigkeit dieser zylindrischen Oberfläche verursacht wesentliche Ventilationsverluste, die zu den durch die zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen verursachten Verlusten hinzukommen. Der Durchmesser der Polfläche des Rotors ist kritisch für die leistungsmäßige Auslegung der Maschine. Der Durchmesser des in axialer Richtung innen liegenden zylindrischen Rotorkörpers hat aber keinen Einfluß auf diese Dimensionierung. Deshalb kann, wie in Figur 3 gezeigt, der zentrale zylindrische Körper 24' im Durchmesser relativ zu den inneren Abdeckungen 29 verringert werden, wodurch die Umfangsgeschwindigkeit verringert wird und dadurch Ventilationsverluste weiter verringert werden.
Um Ventilationsverluste weiter zu minimieren, kann eine äußere zylindrische Oberfläche im Polbereich des Rotors erzeugt werden, indem die zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen 26 mit nichtmagnetischem Material aufgefüllt werden. Die Figuren 4-9 veranschaulichen Alternativen zum Erreichen derartig vergrößerter Vorteile.
Die Figuren 4, 4A und 4B veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Bereiche zwischen den vorspringenden Polen 28 und einander gegenüberliegenden Flächen der Abdeckungen 29 und 31 mit einem nichtmagnetischen Material 64 aufgefüllt sind, das durch ein Plasmalichtbogen-Heißdraht- Schweißverfahren aufgebracht werden kann. Die Anordnung kann dann durch Materialabtrag in die gewünschte zylindrische Form gebracht werden. Die Bindung zwischen dem magnetischen Material des Rotors und dem nichtmagnetischen Material 64 sollte stark genug sein, um den mechanischen zentrifugalen Kräfen zu widerstehen, die der Rotor bei hohen Drehzahlen erfährt.
Die Figuren 5, 5A und 5B veranschaulichen eine ähnliche Konstruktion, die teilweise maschinell bearbeitete Blöcke oder Einsätze 66 verwendet, die in die zwischen den Polen liegenden Räume eingesetzt sind und dort durch die mechanischen Befestigungsmittel 68 gehalten werden. Die Befestigungsmittel 68 erstrecken sich axial durch innere und äußere Abdeckungen und dem dazwischenliegenden Einsatz 66, so daß die nichtmagnetischen Einsätze sicher mit dem Rotor verbunden sind. Nachdem die Einsätze 66 so angebracht und befestigt sind, kann die äußere Oberfläche in dem Polbereich maschinell zu der gewünschten glatten zylindrischen Form bearbeitet werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 6, 6A und 6B werden Schwalbenschwanzverbindungen verwendet, um nichtmagnetische Füllstücke 70 innerhalb der zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen zu befestigen. Jedes Füllstück 70 wird mit einem Schwalbenschwanz 72 maschinell vorbearbeitet, das in eine zusammenwirkende Schwalbenschwanznut 74 eingesetzt werden kann, die zuvor maschinell längs der Basis 58 einer zwischen den Polen liegenden Ausnehmung hergestellt wurde. Nach einem transversalen Einsetzen des Füllstücks 70 zwischen die Abdeckungen, wobei der Schwalbenschwanz 72 in die entsprechende Schwalbenschwanznut 74 paßt, kann das Füllstück 70 mit Bolzen oder durch Stauchen des äußeren Endes des Schwalbenschwanzmaterials in einer Weise an seinem Platz arretiert werden, die im Stand der Technik gut bekannt ist. Die äußere Oberfläche der Füllstücke 70 kann dann maschinell auf die gewünschte endgültige zylindrische Konfiguration bearbeitet werden. Die Figuren 7, 7A und 7B veranschaulichen ein ähnliches Ausführungsbeispiel, außer daß eine "Weihnachtsbaum"- Nutverbindung 76 von größerer Festigkeit verwendet wird, um die zwischen den Polen liegenden Stücke 78 an ihrem Platz zu halten.
Die Figuren 8, 8A und 8B zeigen einen anderen Ansatz zum Befestigen nichtmagnetischer zwischen den Polen liegender Stücke 80 an dem magnetischen Rotor unter Verwendung einer Bandage (Glas-Harz-getränkt). Jedes zwischen den Polen liegende Stück 80 wird maschinell auf Form vorbearbeitet und an jedem Ende mit axial sich erstreckenden Ohren 82 von verringertem Radius versehen. Ein zwischen den Polen liegendes Stück 80 wird dann in einer Ausnehmung zwischen der inneren Abdeckung 29 und äußeren Abdeckung 31 eingesetzt. Sich in Umfangsrichtung erstreckende, in einer Linie mit den Ohren 82 ausgerichtete Nuten 84 werden maschinell in die äußere Oberfläche der vorspringenden Pole 28 eingearbeitet. Ein Paar in Umfangsrichtung verlaufender Bandagen 86 sind in Nuten 84 angeordnet und erstrecken sich über die äußere Oberfläche der Ohren 82. Die Bandagen 86 sind vorzugsweise durch unter Spannung stehende harzgetränkte Glas-Bänder gebildet und sind im Ofen ausgehärtet. Die Bandagen 86 legen so die Füllstücke 80 stabil in den zwischen den Polen liegenden Ausnehmungen fest. Die Figuren 9, 9A und 9B veranschaulichen eine ähnliche Lösung für die Befestigung, bei welcher jedoch keine Abdeckungen vorgesehen sind.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist es ersichtlich, daß ein verbesserter Rotor entwickelt worden ist, der verringerte Ventilationsverluste und eine merkliche Verringerung des Geräuschpegels zeigt. Der neue Rotor ist magnetisch selbstzentrierend, arbeitet mit hohem Wirkungsgrad und kann bei hohen Drehzahlen über große Zeiträume hinweg arbeiten. Der Rotor der vorliegenden Erfindung gestattet eine schnelle, einfache und wirtschaftliche Anfertigung und Montage.

Claims

1. Rotor (14) für eine Dynamomaschine (10), der verringerte Ventilationsverluste zeigt, wobei der Rotor (14) von einer überstehenden homopolaren Transversalpol-Konstruktion ohne Windungen ist, wobei der Rotor (14) um eine zentrale Längsachse (18) drehbar ist, wobei der Rotor (14) einen sich axial erstreckenden, massiven zylindrischen Körper (24) und einen ersten Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden vorspringenden Polen (28) mit in Umfangsrichtung beabstandeten Ausnehmungen (26) zwischen denselben an einem Ende des zylindrischen Körpers (24) und einen zweiten Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden vorspringenden Polen (28) mit Ausnehmungen (26) zwischen denselben an dem anderen Ende des zylindrischen Körpers (24) umfaßt; wobei der Rotor (14) aufweist:

eine transversal sich erstreckende innere Abdeckeinrichtung (29), die an den axial inneren Enden des ersten und zweiten Satzes von vorspringenden Polen (28) zur Abdeckung axial innerer Enden der Ausnehmungen (26) gelegen ist;

eine transversal sich erstreckende äußere Abdeckeinrichtung (31), die an den axial äußeren Enden des ersten und zweiten Satzes von vorspringenden Polen (28) zur Abdeckung axial äußerer Enden der Ausnehmungen (26) gelegen ist; und

eine Welleneinrichtung (22), die axial von der äußeren Abdeckeinrichtung (31) wegläuft, um den Rotor (14) zur Drehung um die Längsachse (18) zu lagern,

wobei der Rotor dadurch gekennzeichnet ist, daß die äußeren und inneren Abdeckeinrichtungen (29, 31) und vorspringenden Pole (28) einstückig mit dem zentralen zylindrischen Körper (24) sind; und

die angeformten Abdeckeinrichtungen (29, 31), die vorspringenden Pole (28) und der zylindrische Körper (24) aus einem magnetischen Material bestehen und eine Umfangsoberfläche (60, 62) längs einer radial äußeren Kante der äußeren Abdeckeinrichtung (31) und der inneren Abdeckeinrichtung (29) derart ausgebildet ist, daß sich die vorspringenden Pole (28) radial weiter nach außen erstrecken als die äußeren und inneren Abdeckeinrichtungen (31, 29), um eine magnetische Zentrierung des Rotors (14) zu erleichtern.

2. Rotor (14) nach Anspruch 1, bei dem die äußere Abdeckeinrichtung (31) ein im wesentlichen flaches scheibenförmiges Element umfaßt.

3. Rotor (14) nach Anspruch 1, bei dem sich die innere Abdeckeinrichtung (29) radial weiter nach außen erstreckt als der zentrale zylindrische Körper (24).

4. Rotor (14) nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 weiter umfassend ein nichtmagnetisches Material, das die Ausnehmungen (26) auffüllt und zusammen mit jedem Satz von vorspringenden Polen (28) eine äußere zylindrische Oberfläche bildet.

5. Rotor (14) nach Anspruch 4, bei dem das nichtmagnetische Material (64) in den Ausnehmungen (26) durch ein Plasmalichtbogen-Heißdraht-Schweißverfahren aufgebracht ist und eine unter Materialabtrag bearbeitete äußere zylindrische Oberfläche aufweist.

6. Rotor (14) nach Anspruch 4, bei dem das nichtmagnetische Material unter Materialabtrag bearbeitete Einsätze (66) umfaßt; und weiter Befestigungseinrichtungen zur Befestigung der Einsätze (66) in den Ausnehmungen (26) umfaßt.

7. Rotor (14) nach Anspruch 6, bei dem die Befestigungseinrichtung Befestigungsmittel (68) umfaßt, die sich durch die innere Abdeckeinrichtung (29), einen Einsatz (66) und die äußere Abdeckeinrichtung (31) erstrecken.

8. Rotor (14) nach Anspruch 6, bei dem die Befestigungseinrichtung eine Schwalbenschwanzverbindung (72, 74) umfaßt.

9. Rotor (14) nach Anspruch 8, bei dem die Verbindung eine Weihnachtsbaum-Querschnittskonfiguration (76) aufweist.

10. Rotor (14) nach Anspruch 6, bei dem die Befestigungseinrichtung eine in Umfangsrichtung verlaufende Bandage umfaßt.

11. Rotor (14) nach Anspruch 10, bei dem die Bandage ein Paar von unter Zug stehenden, ausgehärteten Glas-Harz getränkten Bändern (86) umfaßt, die sich um die Einsätze jedes Satzes nahe dem axial inneren bzw. axial äußeren Enden der Einsätze erstrecken.

12. Rotor (14) nach Anspruch 1, bei dem jede innere Abdeckeinrichtung (29) einen axial äußeren Endabschnitt des zentralen zylindrischen Körpers (24) mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kontur (62) umfaßt, die in den Endabschnitt unter Materialabtrag eingearbeitet ist.

13. Rotor (14) nach Anspruch 4 in Kombination mit einer Statoranordnung (12), wobei die Statoranordnung (12> ein nichtmagnetisches spulenähnliches Halterungsteil (30) hat, das einen hohlen langgestreckten zentralen Abschnitt (32) aufweist, der sich um den Rotor (14) erstreckt, wobei das spulenähnliche Teil (30) axial beabstandete Endteile (36) aufweist, die sich bezogen auf die Längsachse (18) in radialer Richtung vom jeweiligen Ende des zentralen Abschnitts (32) nach außen erstrecken, und eine in Umfangsrichtung verteilte Mehrzahl von im wesentlichen U-förmigen, sich im wesentlichen in Längsrichtung erstreckenden Ankerkernen (38) aufweist, die von den Endteilen (36) des spulenähnlichen Teils (30) getragen werden.