Einrichtung zum Schutz von Konstruktionsteilen im Bereich des Statorstirnstreufeldes von Wechselstrommaschinen gegen Wirbelstromverluste durch magnetische Strentlusskörper aus lamelliertem Eisen.
Um die Wirbelstromverluste von Wechsel strommaschinen herabzusetzen, .die durch das Stirnstreufeld in massiven Konstruktionstei- len entstehen können, ist bereits die Anbrin- gung besonderer magnetischer Streuflusskör- per aus lamelliertem Eisen vorgeschlagen worden, die den Verlauf des Streufeldes auf magnetisch gutleitenden Bahnen erzwingen, in der Querrichtung dagegen den Wirbelströ men einen hohen elektrischen Widerstand entgegensetzen.
Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Stirnstreufeld mehr- phasiger Wechselstrommaschinen insbeson dere mit symmetrischer Wicklung in gleicher Weise wie das Statordrehfeld mit praktisch gleichförmiger Geschwindigkeit und Stärke umläuft und eine Stärke besitzt, die nach dem äussern Umfang der Wickelköpfe zu abfällt.
Diese Erkenntnis führte dazu, den magneti- s c 'hen Streuflusskörpern eine neue Anordnung zu geben, die dem Drehfeldcharakter des Stirnfeldes Rechnung trägt und dadurch die Wirbelstromverluste in benachbarten massi ven Konstruktionsteilen, wie beispielsweise den Pressdeckeln oder Stirnplatten herabsetzt.
Die Lamellen der magnetischen Streu flusskörper sollen sich erfindungsgemäss im wesentlichen in der Umfangsrichtung er strecken, so dass sie dem umlaufenden Streu drehfeld auf seiner Bahn einen magnetisch mutleitenden Weg bieten.
Auch bei einer einphasigen Maschine bil det sich das Stirnstreufeld in Form eines Drehfeldes aus, wie im folgenden nachgewie sen werden soll.
Das einphasige Statornutzfeld kann be kanntlich in zwei gegenläufige Drehfelder zerlegt gedacht werden, von denen .das eine im Sinne der Drehrichtung des Läufers, das an dere entgegengesetzt hierzu umläuft. Das im Sinne der Rotordrehrichtung umlaufende Drehfeld erzeugt in den Rotorstäben keine Ströme. Das gegenläufige Drehfeld ergibt aber bei Umlauf des Rotors im Dämpferkäfig des letzteren, deren Streufeld sich mit dem Streufeld der Statorwickelköpfe zu einem re sultierenden Streufeld zusammensetzt, wel ches den Charakter eines Drehfeldes besitzt.
Verschiedene beispielsweise Ausführungs formen der Erfindung sind,auf der Zeichnung veranschaulicht. Fig. 1 gibt in schaubildlicher Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung wieder, bei der ein geschlossener, aus flachseitig über einander gewickelten Bandlagen bestehender Ring als Streuflusskörper verwendet wird, der vor den massiven Konstruktionsteilen konzen trisch zur Umlaufbahn des Streudrehfeldes angebracht ist; Fig. 2 stellt diesen ringförmi gen Streuflusskörper in seiner ganzen Aus dehnung dar.
An Stelle gewickelter Ringe können auch solche verwendet werden, die aus einer Anzahl konzentrisch verlaufender und flachseitig übereinander liegender Teil ringe zusammengesetzt sind, die zu einem ringförmigen Paket vereinigt sind.
Es bezeichnet a das wirksame Statoreisen mit seinem massiven Pressdeckel b. Der Wickelkopf wurde nur durch ein Stück eines Evolventenbügels c angedeutet. Zwischen dem Wickelkopf und dem Pressdeckel b ist der magnetische Streuflusskörper d aus lamellier- tem Eisen angebracht, der ;
den Zweck hat, Wirbelstromverluste in der Stirnplatte b zuver- hindern. In Rücksicht auf die Feststellung, dass das diese Verluste verursachende Stirnstreu feld bei mehrphasigen Maschinen in analoger Weise wie das Statorfeld umläuft, ist der unterteilte Streuflusskörper d so ausgebildet und gelegt, dass sich seine einzelnen Lamellen längs der Umlaufbahn des Streudrehfeldes, das heisst also im wesentlichen in der Um fangsrichtung erstrecken.
Sie sollen dem Drehfeld während seines Umlaufes einen mag netisch gutleitenden Weg bieten und erhalten aus diesem Grunde auch eine Längenausdeh nung über den ganzen Umfang, wobei diese magnetisch gutleitende Bahn der Lamellen durch Zwischenräume unterbrochen sein kann. Solche Zwischenräume können absichtlich eingefügt werden, um den Streufluss zu schwächen. Bei dem in der Zeichnung gewählten Bei spiel ist -der Ring in sich geschlossen und aus Bandeisen flachseitig gewickelt. Zwischen den einzelnen Bandlagen können gewünschtenfalls besondere Isolationseinlagen vorgesehen wer den.
Um ein stabiles Gefüge zu erhalten und die Lockerung der Ringlagen zu verhindern, sind, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, radiale Schrauben- oder Nietbolzen f hindurchge führt, die zweckmässig vom Eisen isoliert sind.
Als Träger solcher Ringe können die Stüt zen der Wickelköpfe dienen, indem man etwa den Ring -an den durch die Lage der Befesti gungsbolzen für die Wickelköpfe gegebenen Stellen mit Löchern g versieht und ihn, vor zugsweise unter Einfügung von Isolations buchsen, über diese Bolzen h schiebt. Er wird dann zum Beispiel durch besondere Muttern k oder besser durch die Befestigungsorgane für die Wickelköpfe gegen die Stirnseite des Stators. gepresst.
Will man die Schwächung des wirksamen Ringquerschnittes durch Nietbolzen vermei den, so empfiehlt es sich, die Bandlagen an einzelnen über -den Ringumfang verteilten Stellen miteinander zu verschweissen oder durch gleichwertige Verfahren zu verbinden. Hierbei sieht man .die Schweissnähte m ent sprechend Fig. 3 vorteilhafterweise an den den Wickelköpfen abgewandten Stirnflächen des 'Streuflussringes vor, um zu vermeiden, dass grössere zusammenhängende Metallflä chen des Ringes, wie sie durch ,Sch-Weissnähte entstehen, unmittelbar dem Streufeld ausge setzt werden.
Eine andere praktisch brauchbare Me thode zum Zusammenhalten der Ringlagen oder -Lamellen ohne Schwächung ihres Quer schnittes besteht gemäss Fig. 4 in der Verwen dung von Klammern n, welche ebenfalls von der dem Wickelkopf abgewandten Stirnseite ,des Ringes her über diesen geschoben sind und gegebenenfalls mit ihm verschweisst oder verlötet sein können.
Man kann sie zugleich als Tragorgane des Ringes ausbilden und bei spielsweise einen Fortsatz p zur Durchfüh rung eines Schraubenbolzens anbringen. Die gleichen Gesichtspunkte wie für ge wickelte Ringe kommen auch für Ringe in Betracht, die aus einer grösseren Anzahl kon zentrischer Teilringe zu einem Ringpaket ge schichtet sind und als zusammenhängender Körper befestigt werden.
Anstatt des Kreisringes kann man auch Ringe polygonaler Form verwenden. Wenn die magnetisch gutleitende Bahn für das Streudrehfeld nicht ein in sich geschlossener Ring ist, sondern aus einer Anzahl mit ihren Lamellen im wesentlichen in der Umfangs richtung sich erstreckenden Blechpaketen zu sammengesetzt wird, so führt man diese Blechpakete bezw. ihre Lamellen entweder bogenförmig aus oder man benutzt gerade la- mellierte Stege,
-die so verlegt werden, dass sie sich zu einem Polygon ergänzen: Die Befe stigung der gekrümmten oder geraden Pakete, sowie die Verbindung ihrer einzelnen Lamel len untereinander geschieht in gleicher Weise, wie für geschlossene Ringe vorgeschlagen wurde. Eine Anordnung der Streuflusskörper im Sinne der Erfindung kann man auch vor der Stirnverschalung vorsehen, wenn es sich darum handelt, die Wirbelstromverluste in dieser zu verhindern, indem ähnliche Streu- flusskörper vorzugsweise unmittelbar auf der Innenfläche der Schutzkappen in analoger Weise angebracht werden.
Bei den im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen, beispielsweise bei den aus einzelnen bogenförmigen oder stegförmi- gen Teilen zu Ringen oder Polygonen zusam mengefügten Streuflusskörpern verursachen naturgemäss die Stossfugen eine erhebliche Er höhung des magnetischen Widerstandes über den Umfang des Ringes, und das Streufeld wird sich demzufolge in parallelen magneti schen Nebenwegen zu schliessen suchen, wie sie durch die Auflageteile und Träger des Streuflusskörpers oder die zu schlitzenden massiven Konstruktionsteile der Maschine selbst,
zum Beispiel durch die Stirnplatten gebildet werden. Ähnliche Folgen sind auch zu erwarten, wenn der Streuflusskörper hoch gesättigt ist. Um nun derartige Nachteile von vornher ein auszuschliessen und die Wirkungsweise der Anordnung gemäss der Erfindung zu ver- vollkommene, kann auf der Rückseite des Streuflusskörpers für den Übertritt von Streu linien vom iStreufeldkörper nach den zu schützenden Teilen hin ein hoher magneti scher Widerstand geschaffen werden,
so dass der Streufluss auch dann vorwiegend im Streuflusskörper verbleibt, wenn der magne tische Widerstand des letzteren, sei es durch hohe Sättigung, durch Vorhandensein von Stossfugen oder aus andern Ursachen in der Umfangsrichtung stark erhöht ist.
Dieses wird dadurch erreicht, dass man an der Rückseite des Streuflusskörpers, das heisst derjenigen Seite, die den zu schützenden mas siven Konstruktionsteilen zugekehrt ist, Luft strecken einfügt, indem man zum Beispiel den Ringkörper in angemessenem Abstand von den zu schützenden massiven Teilen @anord- net, oder dass man dort magnetisch gutleitende Teile fernhält und die zur Stützung oder Auf lage dienenden Organe, gegebenenfalls auch die zu schützenden massiven Konstruktions- teile selbst aus nichtmagnetischem Material ausführt.
Unter Umständen können auch diese beiden Mittel gemeinsam zur Anwendung kommen.
Die Fig. 5 zeigt einen Streuflusskörper d an der Stirnseite des Ständers einer Wechsel strommaschine zum Schutz gegen Wirbel stromverluste in dem massiven Pressdeckel b. Die Lamellen des eisernen Streuflusskörpers d verlaufen im wesentlichen in der Umfangs- richtung,doch ist er hier nicht wie bei der Fig. 2 als geschlossener Ring wiedergegeben, sondern gemäss dem Alternativvorschlag aus einzelnen Blechpaketen zusammengesetzt. Die Teilfugen zwischen den Stosskanten jener Pa kete sind mit p bezeichnet.
Wenn man diese Zwischenräume durch unmittelbares Anlegen der Stossflächen auch beseitigen und damit den magnetischen Widerstand des Ringkör pers herabsetzen könnte, so wird aus andern Erwägungen heraus, zum Beispiel um die Reaktanz der Maschine zu erniedrigen, die Einfügung der Zwischenräume p von Nutzen sein.
Dass Streudrehfeld, welches, um Wirbel stromverluste zu vermeiden, ausschliesslich im lamellierten Streuflusskörper verlaufen soll, wird, da der magnetische Widerstand des letz teren hier relativ gross ist, versuchen, auf der Rückseite des Körpers d, die dort befindlichen Teile, zum Beispiel die klammerartigen Trä ger<I>n,</I> die Bolzen h und die Druckplatte b als Nebenbahn zu beschreiten, soweit sie mag netisch leitend sind.
Um den Verlauf der Streulinien auf solchen Nebenwegen zu er schweren, ist zwischen dem Streuflusskörper d. und dem Pressdeckel b eine angemessene Luftstrecke q eingefügt. Ausserdem wird man die Distanzstücke r. die Klammern n und die Befestigungsbolzen h, gegebenenfalls auch die Prressplatten b selbst aus unmagnetischem ',Material ausführen, damit auf jeden Fall der Austritt der Streulinien aus dem lamellierte: Ringkörper unterbleibt.
Es ist selbstverständlich, da.ss der gleiche Gedanke auch Anwendung findet, wenn der Streuflusskörper vor der Stirnverschalung an gebracht wird. Dann kann es aus den glei chen Erwägungen von Nutzen sein, zwischen Schutzkörper und Kappe einen grösseren Luft abstand vorzusehen und die Befestigungsmit tel und Abstandhalter, erforderlichenfalls auch die Stirnverschalungen selbst aus mag netisch nichtleitendem Material auszuführen oder wenigstens eine dieser Vorkehrungen zu treffen.
Die Streufeldverluste spielen auch eine Rolle bei denjenigen Anordnungen, bei denen die Statorzähne durch besondere Druckorgane mechanisch gesichert werden, die man ent weder einzeln oder durch die übergreifende Stirnplatte gemeinsam gegen die Zahnflan ken presst.
Man hat bereits, um die magneti schen Verluste durch das Streufeld in den Zähnen und ihren Stützen gering zu halten, verschiedene Massnahmen getroffen, zum Bei spiel die Druckfinger quer zu den Ankerble chen geblättert oder besonderes Material hier für verwendet. Im Sinne der Erfindung kann nun auch für die Versteifung der Zahnflanken ein mit entsprechenden Zähnen versehenes ringför miges Joch aus lamelliertem Eisen, dessen Zähne die des Stators abstützen, verwendet werden.
Fig. 6 zeigt den. stirnseitigen Teil eines Stators in schaubildlicher Darstellung, soweit er für das Wesen der Erfindung in Betracht kommt, während Fig. 7 das gezahnte, ring förmige Joch in Ansicht, und Fig. 8 eine fabrikatorische Methode zu seinem Aufbau wiedergibt.
An die Stirnfläche des wirksamen Stator- eisens a. ist in bekannter Weise die !Stirnplatte b gepresst. Den Wickelkopf deutet der mit dem Wicklungsstab s verbundene Bügel c an. Zur Versteifung der Statorzähne dienen die Zähne d eines gezahnten ringförmigen Joches f aus lamelliertem Eisen, das gegen die Zahn flanken des Stators gedrückt wird.
Die Befe stigung und Anpressung des gezahnten Ring körpers f an die Stirnfläche des Stators ge schieht am einfachsten durch die Stirnplatte b, indem diese mit ihrem innern Rand g über den äussern Umfang des Joches greift. Um den Übergang .des Streuflusses in die. Lamel len der Zähne d zu erleichtern und einen quer seitigen Eintritt des Kraftflusses und damit die Bildung von Wirbelströmen zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Zahnköpfe, wie bei A dargestellt, nach der freiliegenden Stirnseite zu abzuschrägen oder abzustufen.
Dadurch wird gleichzeitig den Zähnen der erforderliche Halt gegeben. , Die einzelnen gezahnten Lamellen sind ge gebenenfalls nach Einfügung von Isolations- zwischenla.gendurch Nietbolzen m zu einem geschlossenen Ring vereinigt. Man schichtet sie praktischerweise nach :der aus Fig. 8 er sichtlichen Methode aus gleichen segmentför- migen Blechschnitten le zusammen, wobei mit jeder neuen Schicht die Lage der Stosskanten in der Umfangsrichtung wechselt.
Anstatt den Jochkörper als geschlossenen Ring herzustellen und aufzubringen, kann man auch bogenförmige, gezahnte Blechpa kete anfertigen und sie an der Stirnfläche des 2tators zu einem unterteilten Ring an einanderlegen. Unter Umständen ist in sol chen Fällen die Freilassung von Luftzwi schenräumen zwischen den einzelnen Ringtei len erwünscht, besonders wenn es sich um unterteilte Gehäuse handelt oder wenn der magnetische Widerstand des Rückschlusses für das Streufeld absichtlich erhöht werden soll.
Die äussere Begrenzungsfläche dieser ge zahnten Blechpakete kann auch eine ebene Fläche sein, so @dass nachdem Zusammenset zen an der -Stirnseite des Stators .ein aussen polygonales begrenztes Gebilde entstehen würde.
Die praktische Ausführung des als Ver steifungsorgan für .die Statorzähne dienenden Jochkörpers lässt viele Modifikationen zu, während die beschriebene Konstruktion nur als besonders zweckmässiges Beispiel zu be trachten ist.
An Stelle durch Nietbolzen kön nen nie einzelnen Lamellen auch durch Schweissnähte am äussern Umfang oder durch gleichwertige Mittel vereinigt werden. Die Befestigung und Anpressung an die Zahn flanken braucht auch nicht durch die Stirn platte selbst zu geschehen, sondern kann auch auf anderem Wege erfolgen.
Während man durch die in dem voran gehenden erwähnten Mittel den im Bereich der Stirnplatten und Verschalungen verlau fenden Teil des Stirnstreufeldes durch An bringung besonderer Streuflusskörper in un schädliche Bahnen lenken kann, verbleibt nun noch hie Schwierigkeit, einen Wirbelstrom verluste vermeidenden Rückschluss für den jenigen 'i'eil des Streuflusses zu schaffen, der zwischen dem Ständereisen und den Kappen, Bandagen oder sonstigen ausserhalb des akti ven Teils des Läufers angebrachten,
mit dem Streufehs synchron rotierenden Eisenmassen verläuft. Neuere Untersuchungen haben ge zeigt, dass gerade dieser nur mit der Stator- wicklung verkettete, in die Kappen eintre- tende Streufluss es ist, welcher die grössten Verluste verursacht.
Es ist bekannt, einzelne Endscheiben ge zahnter lamellierter Blechpakete aus mecha nischen Rücksichten treppenförmig mit ge- ringerem Durchmesser auszuführen als die übrigen Bleche, um auf diese Weise den Zahn flanken den erforderlichen Halt zu geben. Man hat solche stärkeren Stirnscheiben auch zurücktreten lassen, um zu vermeiden, dass sie magnetischen Feldern ausgesetzt und Wirbel ströme in ihnen induziert werden.
Schliess lich geschah die Abstufung oder Abschrä- gung der Blechpakete in der Absicht, das Eintreten von Kraftlinien in die volle Flach seite der Bleche zu verhindern und in die Schmalseite der Bleche zu erleichtern, damit hierdurch Wirbelstromverluste möglichst unterdrückt wurden.
Aus den letztgenannten Gründen hat man Abstufungen und Abschrägungen auch an den Stossfugen unterteilter lamellierter .Ständer eisen für Wechselstrommaschinen, sowie an Schutzjochen und Eisenkörpern von Drossel spulen und Transformatoren vorgesehen.
Soweit jedoch bisher die Brechung der Blechpaketkanten in Rücksicht auf Eintritt und Führung magnetischer Kraftlinien zur Anwendung gelangte, handelte es sich dort um die sich am Ende des wirksamen Eisens ausbreitenden Kraftlinien des wirksamen Feldes, das heisst um Nutzlinien, während der vorliegenden Erfindung eine andere Aufgabe zugrunde liegt, nämlich die geeignete Füh rung von Linien des unvermeidlichen Streu feldes.
Die Endpakete des Ständereisens können selbst als Rückschluss für diesen Teil des Stirn streufeldes dienstbar gemacht werden, und zwar in der Weise, dass die Streulinien vor wiegend in die Schmalseiten der Bleche ein treten. Dieses kann durch Anordnung weit gehender Abstufungen oder Abschrägungen jener Endpakete an den den Kappen zuge kehrten Statorrändern erreicht werden.
Die Abstufung oder Abschrägung er streckt sich dabei zweckmässigerweise nicht nur auf wenige verstärkte Endscheiben, wie etwa bei Nutenankern von Gleichstromma schinen, -wo man beabsichtigte zu vermeiden, dass.die massiven Ränder dieser verstärkten Endscheiben noch vom Nutzfluss erfasst wer den, sondern über eine beträchtliche Tiefe des Ständereisens. Auf diese Weise bilden die Bleche des Statoreisens selbst in der Um fangsrichtung einen Rückschluss für die Streulinien, ohne dass letztere Flachseiten der Bleche schneiden und Wirbelströme indu zieren.
Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen zwei diesbezügliche Ausführungsbeispiele des Er findungsgedankens. Es ist a das aus Blech paketen geschichtete Ständereisen eines Tur bogenerators, b der Wickelkopf des Ständers und c der des Läufers, der durch eine Kappe d oder Bandage gegen die Wirkungen der Fliehkräfte gesichert ist.
Der mit dem Wickelkopf b verkettete Teil des Streufeldes, um dessen Einfluss es sich handelt, wurde in den Darstellungen gestri chelt angedeutet und mit Ost bezeichnet, wäh rend das Nutzfeld ON, das mit dem Wesen der Erfindung nichts zu tun hat, durch aus gezogene Kraftlinien wiedergegeben ist.
Der den Wickelköpfen zugekehrte Rand des letzten Ständerblechpaketes f ist um eine beträchtliche Höhe und hier über die ganze Pakettiefe bei g abgeschrägt, indem die ein zelnen Bleche in ihrer radialen Breite abge stuft sind. Durch diese Abstufung tritt das vom Wickelkopf b hervorgerufene, zwischen dem letzten Blechpaket<I>f</I> und der Kappe<I>d</I> verlaufende Streufeld Ost vorwiegend in die Schmalseiten der .einzelnen Bleche über und findet in der Umfangsrichtung durch die ein zelnen Blechlamellen einen unschädlichen Rückschluss, so dass erhebliche Wirbelstrom- verluste durch dieses Streufeld vermieden sind.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass sich,die Abschrägung oder Abstufung g über die ganze Tiefe des letzten Ständerblechpake- tes f ausdehnt, wenn eine geringere Tiefe ge nügt, um eine hinreichende Abstufung zu er zielen. Doch ist einleuchtend, dass bei Aus nutzung der gesamten Tiefe dieses Stirnpake tes für die Abschrägung der höchste Grad der Abstufung zur Geltung kommt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 erstreckt sich das wirksame Eisen k ,des Läu fers nur bis zum vorletzten Ständerpaket, so dass das Endpaket f ausschliesslich dem Streu flussverlauf dient. Jedoch kann sich, wie Fig. 10 erkennen lässt, das wirksame Eisen k des Läufers auch bis zur Stirnseite des letzten ab geschrägten Ständerblechpaketes ausdehnen. Im letzten Fall würde das Endpaket des Ständers neben seiner Aufgabe als Streufluss- rückschluss auch als aktives Eisen wirksam sein.
Für die praktische Durchbildung der durch die Erfindung gekennzeichneten An ordnung der Streuflusskörper gibt es natür lich viele konstruktive Möglichkeiten, wäh rend hier nur einige besonders zweckmässige Ausführungsbeispiele beschrieben wurden.