CH659552A5 - Rotor fuer elektrische rotationsmaschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für elektrische Rotationsmaschinen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Rotoren dieser Art entsteht durch die Kühlluft ein Winkelmoment, welches direkt zu Verlusten im Ventilationsantrieb führt und damit die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades erschwert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile zu überwinden und einen Rotor zu schaffen, der geringere Verluste durch den Ventilationsantrieb für das Kühlmedium aufweist als bekannte Rotoren, wodurch sich der Wirkungsgrad der Maschine erhöhen lässt. Diese Aufgabe wird er-findungsgemäss durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Teilschnittdarstellung die Frontansicht eines bekannten Schenkelpolläufers,

Fig. 2 in Teilschnittdarstellung den Schnitt II-II gemäss Fig. 1, in vergrösserter Darstellung,

Fig. 3 in Teilschnittdarstellung die Grundansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

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Fig. 4 in einer vergrösserten Teilschnittdarstellung den Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 5 ein Vektordiagramm zur Darstellung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 6A einen vergrösserten Teilschnitt desjenigen Teils, in welchem im Bereich zwischen zwei benachbarten Polen an einem Pol ein Leitflügel montiert ist,

Fig. 6B in vergrösserter Schnittdarstellung die Anordnung eines Leitflügels an einem Träger, zur Bildung eines Strömungskanals,

Fig. 6C einen vergrösserten Teilschnitt durch eine Anordnung, bei welcher der Leitflügel en seinem Randbereich zusätzlich befestigt ist,

Fig. 7A in teilweiser Schnittdarstellung die Anordnung eines Leitflügels mit schräg verlaufenden Strömungskanälen, wobei der Leitflügel auf einem von zwei benachbarten Polen angebracht ist, .

Fig. 7B die vergrösserte Teilansicht einer Anordnung mit einem Leitflügel auf einem Stützelement, wobei der Leitflügel schräg verlaufende Strömungskanäle aufweist,

Fig. IC in vergrösserter Schnittdarstellung die Anordnung mit einem Leitflügel gemäss Fig. 7B, welcher zusätzlich ein Stützelement im Randbereich aufweist,

Fig. 8A in vergrösserter Teilschnittdarstellung die Anordnung eines Leitflügels mit schräg verlaufenden Strömungskanälen, wobei der Leitflügel auf einem Pol befestigt ist und sich bis auf den benachbarten Pol erstreckt,

Fig. 8B die vergrösserte Teilansicht einer Anordnung mit einem Leitflügel, der mit schräg verlaufenden Strömungskanälen versehen ist, auf einer Stütze angeordnet ist und sich von einem Pol bis zum benachbarten Pol erstreckt,

Fig. 8C die vergrösserte Teilschnittdarstellung einer Anordnung mit einem Leitflügel, der mit schräg verlaufenden Strömungskanälen versehen ist, an einer Stütze befestigt ist und mit verlängerten Randbereichen versehen ist,

Fig. 9A eine vergrösserte Schnittdarstellung einer Anordnung mit einem Leitflügel mit in zwei Richtungen verlaufenden Strömungskanälen, der auf einem Pol befestigt ist und sich zwischen zwei benachbarten Polen erstreckt,

Fig. 9B die vergrösserte Teilschnittdarstellung einer Anordnung mit einem Leitflügel, der in zwei Richtungen verlaufende Strömungskanäle aufweist und der auf zwei benachbarten Polen gleichzeitig befestigt ist.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen bekannten Schenkelpolläufer eines Synchronmotors in einem Vertikalschnitt (Fig. 1) und in einem Teilschnitt (Fig. 2). Es ist der Rotor eines Motors mit einer vertikalen Welle dargestellt, bestehend aus der Welle 1, einem Rotorständer 2, einem Rand 3, der in den Ständer 2 eingesetzt ist und der ein Joch des Rotors darstellt, und mehreren Ventilationskanälen 4, die in radialer Richtung im Rand 3 angeordnet sind. Durch mehrere Leitelemente 5 und Öffnungsringe 6 sind Ventilationsöffnungen definiert. Der Rand 3 ist mit Befestigungsbolzen 7 und Schraubmuttern 8 befestigt. Mehrere Schenkelpolkerne 10 bestehen aus einem Eisenplattenlaminat, die durch Bolzen zusammengehalten werden. Die Kerne befinden sich auf der äusseren Peripherie des Randes 3. Um die Schenkelpolkerne 10 sind Feldspulen 11 gewickelt, wobei die Einheit aus einem Schenkelpolkern 10 und einer Feldspule 11 als Pol 9 bezeichnet ist. Auf dem Rand 3 ist ein Ventilator 12 montiert.

Die Anordnung besteht ferner aus einem Statorrahmen 13, einem Statorkern 14, der vom Statorrahmen getragen ist und in radialer Richtung verlaufenden Ventilationskanälen 15 versehen ist, einer Statorspule 16 und einem Gehäuse 17. Mit 18 ist ein Rotor bezeichnet, der aus den erwähnten Teilen 1 bis 12 besteht. 19 bezeichnet einen Stator, bestehend aus den erwähnten

Teilen 13 bis 17. Zwischen dem Rotor 18 und dem Stator 19 befindet sich ein Luftspalt 20.

Wenn in der beschriebenen bekannten Anordnung der Rotor 18 rotiert, wird vom Ventilator 12 Kühlluft auf die Enden der Feldspulen 11 geführt und anschliessend den Enden der Statorspule 16 entlang geleitet, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Dadurch werden die Spulen gekühlt. Ausserdem fliesst Kühlluft auf der Innenseite des Rotorständers 2 durch die Ventilationskanäle 4 und durch die benachbarten Feldspulen 11, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Dadurch werden auch diese Feldspulen 11 gekühlt. Die durch die Feldspulen 11 strömende Kühlluft durchströmt den Luftspalt 20 und wird bei dieser Bewegung durch die Ventilationswirkung unterstützt, die von den Schenkelpolen ausgeht. Anschliessend fliesst die Luft durch die Ventilationskanäle 15 im Stator, wodurch die Statorspule 16 und der Statorkern 14 gekühlt werden.

Die mechanischen Verluste, die am Rotor 18 auftreten, können in Strömungsverluste und in Lagerverluste aufgeteilt werden. Die Strömungsverluste lassen sich ausserdem in Ventilationsantriebsverluste aufteilen, die durch die Ventilation entstehen und in Reibungsverluste, die durch Reibungseffekte an der umgebenden Luft entstehen. Bei der beschriebenen bekannten Anordnung hat jedoch die Kühlluft, welche durch die Pole 9 in den Luftspalt 20 strömt, ungefähr die gleiche Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor 18. Insbesondere weist die Kühlluft, die in den Luftspalt 20 strömt, ein relativ grosses Winkelmoment auf. Sobald die Kühlluft jedoch in die Ventilationskanäle 15 des Stators 19 nach Passieren des Luftspaltes 20 strömt, wird die Winkelgeschwindigkeit jedoch Null. Dies bedeutet, dass das grosse Winkelmoment der Kühlluft direkt zu Ventilationsantriebsverlusten führt, weshalb es schwierig ist, einen hohen Wirkungsgrad für die Anordnung zu erzielen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei das anhand der Fig. 3 bis 6A beschriebene Ausführungsbeispiel die gleichen Bezugszeichen 1 bis 20 verwendet, welche auch in den Fig. 1 bis 2 vorkommen und dort bereits definiert sind. Zusätzlich ist ein Leitabschlussteil bzw. Leitflügel 21 vorgesehen, der am Kopfteil einen magnetischen Pols 9 beispielsweise mit Hilfe eines nicht dargestellten Bolzens befestigt ist. Dadurch entsteht ein Strömungskanal 22 gegenüber dem Kopfteil eines benachbarten Magnetpols 9. Der Leitflügel 21 erstreckt sich über die gesamte Breite zwischen benachbarten Polen und stellt gemeinsam mit der Aussenfläche der Schenkelpolkerne 10 die äussere Oberfläche des Rotors 18 dar. Dadurch fliesst die Kühlluft, welche die Pole 9 durchströmt, aus dem Strömungskanal 22 in den Luftspalt 20, und zwar in eine Richtung, welche der Rotationsrichtung des Rotors 18 entgegengesetzt ist. An den Polen 9 sind Dichtungsplatten 23 angebracht, welche dafür sorgen, dass die von den Ventilationskanälen 4 in den Rand 3 und in die Pole 9 fliessende Luft aus den oberen und unteren Enden an den Polen 9 nicht entweicht.

Der Leitflügel 21, der sehr starken Magnetfeldern ausgesetzt ist, besteht vorzugsweise aus nicht magnetischem Material, so dass in diesen Teilen keine Wärme aufgrund von Wirbelströmen entstehen kann. Zu diesem Zweck eignen sich beispielsweise rostfreier Stahl, Aluminium, glasfaserverstärkter Kunststoff, ein Laminat aus wärmehaltenden Harzplatten oder dergleichen.

Dreht sich der beschriebene Rotor 18, tritt die Kühlluft auf einer Seite des inneren Durchmessers des Rotorständers 2 ein, fliesst durch die Ventilationskanäle 4 und anschliessend durch die benachbarten Feldspulen 11, um diese zu kühlen. Unterstützt durch die Ventilationswirkung der Schenkelpole fliesst die Kühlluft anschliessend durch die Pole 9 und in den Luftspalt 20, und zwar durch die Strömungskanäle 22 zwischen den Kopfteilen der Schenkelpolkerne 10 und den Leitflügeln 21 in einer Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors 18. Die Kühlluft, welche den Luftspalt 20 passiert hat, fliesst durch die Ventilationskanäle 15 in den Stator 19, um dort die Statorspule

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16 und den Statorkern 14 zu kühlen. Der von dem Ventilator 12 erzeugte Fluss der Kühlluft ist der gleiche wie bei der bekannten Einrichtung gemäss den Fig. 1 und 2.

Wie bereits erwähnt, zwingt der Leitflügel 21 die Kühlluft zum Passieren eines Kanals zwischen benachbarten Polen 9, um danach in den Luftspalt 20 in einer Richtung einzutreten, die der Drehrichtung des Rotors entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird die Winkelgeschwindigkeit der Kühlluft herabgesetzt und damit auch das Winkelmoment derselben. Dadurch lassen sich die Ventilationsantriebsverluste herabsetzen, die sich aus dem Winkelmoment der Kühlluft als Verluste in dem Luftspalt 20 ergeben. Dieser Sachverhalt wird im folgenden Anhang der Fig. 5 erläutert.

In der bekannten Einrichtung fliesst die durch die Pole 9 strömende Luft direkt in radialer Richtung in den Luftspalt 20. Der Winkel ßi bezüglich der radialen Richtung zwischen der Geschwindigkeit coi zwischen der in den Luftspalt 20 strömenden Kühlluft relativ zur Peripheriegeschwindigkeit u der Pole 9 ist nahezu 0°, während die Peripheriegeschwindigkeitskompo-nente Ui der absoluten Geschwindigkeit vi nahe der Peripheriegeschwindigkeit u des Rotors 18 ist. Gemäss der erfinderischen Anordnung, in welcher die Strömungsrichtung um den Winkel ß2 entgegen der Drehrichtung mit Hilfe der Leitflügel 21 geneigt ist, ist die Geschwindigkeit CO2 gegenüber der Peripheriegeschwindigkeit u des Rotors 18 über den Winkel ß2 gegenüber der radialen Richtung definiert. Insbesondere lässt sich die Peripheriegeschwindigkeitskomponente u2 der absoluten Geschwindigkeit V2 herabsetzen, so dass sie wesentlich geringer ist als die Peripheriegeschwindigkeit u des Rotors 18. Zur Erzielung der gleichen Ventilations Wirkung ändert sich daher die zur Erzeugung der Ventilation erforderliche Leistung proportional zur Peripheriegeschwindigkeitskomponente der absoluten Geschwindigkeit der strömenden Kühlluft. Sie kann auf den Faktor U2 durch ui reduziert werden.

Dies bedeutet, dass die Winkelgeschwindigkeit abnimmt und auch das Winkelmoment mit der Abnahme der Peripheriegeschwindigkeitskomponente der absoluten Geschwindigkeit der in den Luftspalt 20 strömenden Luft abnimmt. Es ist daher möglich, die Antriebsverluste der Ventilation, die aus dem Winkelmoment entstehen und im luftspalt 20 auftreten, wesentlich zu reduzieren.

Die bisher beschriebene Einrichtung enthielt einen Leitflügel 21, der am Kopfteil des Pols beispielsweise mit einem Bolzen befestigt war. Die beschriebene erfinderische Wirkung lässt sich jedoch auch mit einem Träger 24 erreichen, der im Beispiel aus einem Bolzen 24a und einer Mutter 24b besteht, welche auf dem Rand 3 befestigt sind. Vom Träger 24 wird der Leitflügel 5 21 getragen, wobei der Leitflügel 21 gemäss Fig. 6B mit keinem der Kopfteile benachbarter Pole in Kontakt steht. Diese Anordnung lässt sich gemäss Fig. 6C dahingehend abwandeln, dass der Träger 24 aus einem Bolzen 24a und einer Mutter 24b besteht, die auf dem Rand 3 montiert sind, wobei jedoch der Leit-10 flügel 21 derart gegen den Rand 3 gezogen ist, dass er in seinem Randbereich mit einem Distanzstück 21b am benachbarten Polkern anliegt.

In einer weiteren Abwandlung der Erfindung gemäss Fig. 7A sind im Leitflügel 21 schräg verlaufende Strömungskanäle 15 21a angebracht, so dass die Kühlluft über den Strömungskanal 22 und über die Strömungskanäle 21a in den Luftspalt 20 strömt. Die zusätzlichen Strömungskanäle erlauben ein wirkungsvolleres Fliessen der Kühlluft in den Luftspalt 20. Die Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 7A, 7B und 7C entspre-20 chen sinngemäss den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 6A, 6B und 6C.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8A ist mit einem Leitflügel 21 versehen, der Strömungskanäle 21a aufweist und der benachbarte Pole 9 abdeckt. Durch diese Anordnung lässt sich 25 ein vereinfachter Zusammenbau der Anordnung erreichen. Die in den Fig. 8A, 8B und 8C gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen sinngemäss den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 6A, 6B und 6C.

In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde 30 davon ausgegangen, dass die elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor ausgestattet ist, der sich nur in einer Richtung dreht und der mit den zusätzlichen Leitflügeln ausgestattet ist. Die Erfindung lässt sich jedoch auch an elektrischen Rotationsmaschinen verwenden, in welchen der Rotor in zwei entgegen-35 gesetzten Richtungen gedreht werden kann. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 9A und 9B. Es sind Leitflügel vorgesehen, deren Befestigung und Anordnung im wesentlichen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen, bei denen jedoch in entgegengesetzten Richtungen geneigte 40 Strömungskanäle angeordnet sind, welche in beiden Drehrichtungen des Rotors wirksam sind. Durch die so gewählte Anordnung der Strömungskanäle strömt die Kühlluft relativ sanft.

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4 Blätter Zeichnungen

Claims (13)

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1. Rotor für elektrische Rotationsmaschine mit einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, wobei der Rotor zur Ableitung eines Kühlmediums in den Luftspalt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den äusseren Polteilen (9) des Rotors (18) Leitelemente (21) aus nicht magnetischem Material vorgesehen sind, welche zur Führung des Kühlmediums in eine Richtung ausgebildet sind, die der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

2. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) auf einem Pol (9) unter Einschluss eines Strömungskanals (22) gegenüber dem benachbarten Pol befestigt ist, derart, dass der Strömungskanal (22) zur Führung des Kühlmediums entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) ausgebildet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) über einen Träger (24) am Rand (3) des Rotors (18) abgestützt ist, wobei sich das Leitelement (21) über den Bereich zwischen zwei benachbarten Polen (9) erstreckt und dass ein Strömungskanal (22) für das Kühlmedium zwischen dem Leitelement (21) und einem der beiden benachbarten Pole (9) vorgesehen ist, durch welchen das Kühlmedium in eine Richtung gelenkt wird, welche der Drehrichtung des Rotors entgegengesetzt ist.

4. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit einem Befestigungselement versehen ist, welches auf dem Rand (3) des Rotors zwischen zwei benachbarten Polen (9) hervorstehend angeordnet ist, dass das Leitelement (21) bis zum äussersten Rand (3) des Rotors reicht und dass ein Strömungskanal (22) zwischen dem Leitelement

(21) und einem der benachbarten Pole (9) besteht, wodurch das Kühlmedium in eine Richtung gelenkt wird, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

5. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) schräg verlaufende Kanäle (21a) enthält, welche entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) gerichtet sind, und dass das Leitelement (21) an einem Pol (9) befestigt ist und dabei zwischen dem Leitelement (21) und dem äussersten Teil des benachbarten Pols (9) ein Strömungskanal

(22) gebildet ist, wodurch das Kühlmedium sowohl durch die Kanäle (21a) als auch durch den Strömungskanal (22) in eine Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) geleitet wird.

6. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit schräg verlaufenden Kanälen (21a) versehen ist, deren Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) verläuft, und das Leitelement (21) mit einem Träger (24) am Rand (3) des Rotors befestigt ist, wobei der Träger (24) zwischen benachbarten Polen (9) steht, und wobei zwischen dem Leitelement (21) und einem der benachbarten Pole (9) ein Strömungskanal (22) zur Führung des Kühlmediums durch die Kanäle (21a) und den Strömungskanal (22) entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) vorgesehen ist.

7. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit schräg verlaufenden Kanälen (21a) versehen ist, deren Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors verläuft, und dass das Leitelement (21) mit einem Träger (24) am Rand des Rotors (18) befestigt ist, wobei der Träger zwischen benachbarten Polen hervorsteht und wobei das Leitelement (21) gegen den Rand (3) des Rotors gespannt ist, derart, dass zwischen dem Leitelement (21) und einem der benachbarten Pole (9) ein Strömungskanal (22) vorhanden ist, um das Kühlmedium durch die Kanäle (21a) und den Strömungskanal (22) in eine Richtung zu lenken, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

8. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit schräg verlaufenden Kanälen (21a) versehen ist, deren Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) verläuft, und dass das Leitelement (21) an benachbarten Polen (9) befestigt ist, derart, dass das Kühlmedium die Kanäle (21a) durchströmt.

9. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitlelement (21) mit schräg verlaufenden Kanälen (21a) versehen ist, deren Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) verläuft und dass das Leitelement (21) mit Hilfe eines Trägers (24) am Rand (3) des Rotors (18) derart befestigt ist, dass der Träger zwischen benachbarten Polen (9) hervorsteht und das Leitelement (21) benachbarte Pole (9) überspannt.

10. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit schräg verlaufenden Kanälen (21a) versehen ist, deren Richtung entgegen der Drehrichtung des Rotors (18) verläuft, dass das Leitelement (21) mit einem Träger (24) zwei benachbarte Pole (9) überspannend am Rand (3) des Rotors (18) befestigt ist, wobei der Träger (24) zwischen den Polen (9) hervorsteht, derart, dass das Kühlmittel durch die Kanäle (21a) in eine Richtung strömt, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

11. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit ersten Kanälen (21a) und zweiten Kanälen (21b) versehen ist, welche in einander entgegengesetzten Richtungen schräg verlaufend im Leitelement (21) angeordnet sind, dass das Leitelement (21) zwei benachbarte Pole (9) überdeckt, wobei das Kühlmittel entweder durch die ersten oder durch die zweiten Kanäle in eine Richtung lenkbar ist, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

12. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit ersten und zweiten Kanälen versehen ist, welche schräg verlaufend und in einander entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind, dass das Leitelement (21) an einem von zwei benachbarten Polen (9) befestigt ist, derart, dass das Kühlmittel entweder durch die ersten oder durch die zweiten Kanäle in eine Richtung lenkbar ist, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.

13. Rotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (21) mit ersten und zweiten Kanälen (21a, 21b) versehen ist, welche schräg und in einander entgegengesetzten Richtungen verlaufen, und das Leitelement (21) an zwei benachbarten Polen (9) diese überspannend befestigt ist, derart, dass das Kühlmittel teilweise durch die ersten oder durch die zweiten Kanäle in eine Richtung lenkbar ist, welche der Drehrichtung des Rotors (18) entgegengesetzt ist.