DE102007000668A1

DE102007000668A1 - Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102007000668A1
Application number: DE102007000668A
Authority: DE
Inventors: Alexander Schwery; Matthias Schmid; Josef Schwanda; Susanne Binder
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: DE102007000668B4

Abstract

Ein Rotor (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Hydrogenerators, umfasst ein Rotorjoch (12) mit am äußeren Umfang verteilt angeordneten axialen Wicklungsnuten (13), in die Wicklungsstäbe (14, 15) der Rotorwicklung eingelegt sind, deren axial aus dem Rotorjoch (12) austretende Wicklungsenden (16, 17) einen Wickelkopf (11) bilden, welcher mittels einer eine Vielzahl von radialen Bolzen (24) umfassenden Rückhaltevorrichtung (19, ..., 28) gegen die angreifenden Fliehkräfte zurückgehalten wird.
Bei einem solchen Rotor wird eine sichere Fixierung der radialen Bolzen dadurch erreicht, dass die radialen Bolzen (24) fest mit dem Schaft (31) verbundene Köpfe (25) aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Hydrogenerators, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Durch die veränderten marktwirtschaftlichen Bedingungen an den geöffneten Strommärkten und den verbesserten Technologien im Bereich der Leistungselektronik hat das Thema drehzahlvariabler Antriebe zur Energieproduktion an Bedeutung gewonnen. Für diesen Zweck werden insbesondere bei Leistungen über 60 MVA bevorzugt doppelt gespeiste Asynchronmaschinen eingesetzt.
Der Stator dieses Maschinentypus unterscheidet sich nicht von den für diese Anwendung gebräuchlichen Schenkelpolsynchronmaschinen. Maschinen dieses Typs zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl auf dem Stator wie auch auf dem Rotor mit einer Dreiphasenwicklung ausgestattet sind. Üblicherweise sind dabei die Wickelköpfe der Rotorwicklung auf einer zylindrischen Oberfläche angeordnet (siehe z. B. die DE-A1-19513 457 ).
Durch die Zentrifugalkraft haben die Wicklungsstäbe im Betrieb die Tendenz, sich vom Zentrum weg radial nach aussen zu bewegen. Die Schwierigkeit bei der genannten Ausführung der Wickelköpfe besteht darin, die Stäbe der Wicklung gegen Verformung durch mechanische Kräfte genügend zu schützen. Dazu stehen im Allgemeinen drei Lösungen zur Verfügung:

• Bei kleineren Maschinen wird der gesamte Wickelkopf mit mehreren Lagen aus Stahldraht umwickelt. Dies ist bei grösseren Durchmessern aus herstellungstechnischen Gründen nicht sinnvoll.
• Bei Maschinen mit Durchmessern grösser als 2 Meter werden die Wickelköpfe entweder durch radiale Bolzen oder Gewindestangen mit einer Halterung auf der axialen Verlängerung des Rotorjochs befestigt, wie dies in der oben genannten Druckschrift beschrieben ist, oder
• der gesamte Wickelkopf wird von einem aufgeschrumpften Stahlzylinder umgeben, wie dies bei Vollpolsynchronmaschinen bekannt ist.

Die o. gen. Druckschrift konzentriert sich vor allem auf die Beschreibung der Gesamtkonstruktion mit dem zugehörigen Wickelkopfabstützungssystem. Die dabei verwendeten Bolzen dienen der radialen Abstützung der Rotorwickelköpfe und werden im axial hochgezogenen Rotorjoch verankert (siehe 4 und 5 der Druckschrift mit den Bolzen 37). Die Bolzen sind Gewindestangen, die einerseits im Rotorjoch verschraubt sind (36) und andererseits auf der Luftspaltseite mittels rechteckigen Einzelelementen und Muttern die anfallenden Fliehkräfte aufnehmen. Der Nachteil des beschriebenen Systems liegt in der grossen Anzahl von Einzelteilen und dem damit verbundenen Risiko der Zerstörung der Maschine bei Verlust eines Bolzens oder einer Mutter.
Die im Folgenden beschriebene Entwicklung geht näher auf die verwendeten Bolzen und insbesondere deren sichere Fixierung ein.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, den eingangs genannten Rotor derart weiterzuentwickeln, dass die Nachteile der bekannten Lösung vermieden werden und sich insbesondere eine sichere Fixierung der radialen Bolzen ergibt.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die radialen Bolzen fest mit dem Schaft verbundene Köpfe aufweisen. Hierdurch wird einerseits die Zahl der eingesetzten Bauteile drastisch verringert. Andererseits wird die Gefahr beseitigt, dass sich aussenliegende Muttern oder Unterlegscheiben lösen und die Maschine beschädigen oder ganz zerstören können.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Köpfe der radialen Bolzen mit dem Schaft stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise geschmiedet oder verschweisst. Hierdurch wird insbesondere der Einsatz speziell geformter Köpfe erleichtert.
Um den Luftwiderstand des drehenden Rotors zu verringern, ist es dabei von Vorteil, wenn die Köpfe der radialen Bolzen eine aerodynamisch günstige Form aufweisen, wobei insbesondere die Köpfe der radialen Bolzen auf der Oberseite abgerundet sind und zum Anziehen der Bolzen auf gegenüberliegenden Seiten zwei gerade Flanken aufweisen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete radiale Bolzen jeweils eine gemeinsame, in axialer Richtung verlaufende Halteleiste von aussen gegen den Wickelkopf pressen. Hierdurch wird eine vergleichmässigte Druckverteilung der angezogenen Bolzen auf den Wickelkopf erreicht, ohne dass durch separate Unterlegscheiben die Anzahl der eingesetzten Elemente wesentlich erhöht werden muss. Um auch in diesem Fall den Luftwiderstand gering zu halten, weisen die Halteleisten zur Verbesserung der Aerodynamik abgerundete Längskanten auf.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Befestigung der Bolzen am äusseren Umfang einer innerhalb des Wickelkopfes befindlichen axialen Verlängerung des Rotorjochs hammerförmige Aussparungen vorgesehen sind, in welche in axialer Richtung mit Gewindebohrungen versehene Gegenleisten zum Einschrauben der radialen Bolzen eingeschoben sind, wobei insbesondere die zu jeweils einer Halteleiste gehörenden radialen Bolzen in eine gemeinsame Gegenleiste eingeschraubt sind. Hierdurch wird nicht nur die Montage vereinfacht, sondern es wird auch die Anzahl der Bauteile klein gehalten.
Vorzugsweise sind weiterhin Mittel zur Sicherung der radialen Bolzen gegen ein Verdrehen vorgesehen, wobei insbesondere die radialen Bolzen jeweils am inneren Ende eine Ausnehmung mit einer rechteckigen Anlagefläche aufweisen, und die radialen Bolzen durch in die Aussparungen axial eingeschobene, an den Anlageflächen anliegende Sicherungsleisten gegen ein Verdrehen gesichert sind.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in radialer Richtung von aussen gesehen den Wickelkopf mit einer Rückhaltevorrichtung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen vergrösserten Ausschnitt aus 1 mit den aerodynamisch geformten Köpfen der radialen Bolzen;
3 eine Draufsicht auf den Wickelkopf aus 1;
4 einen vergrösserten Ausschnitt aus 3 mit den Befestigungs- und Sicherungselementen für die radialen Bolzen; und
5 in zwei Teilfiguren 5(a) und 5(b) zwei unterschiedliche Ansichten eines radialen Bolzens, wie er in der Rückhaltevorrichtung der 1 zum Einsatz kommt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorgeschlagene Lösung basiert auf der Idee, die Anzahl an Einzelteilen der Wickelkopf-Rückhaltevorrichtung zu reduzieren und gleichzeitig alle Teile mechanisch gegen ein Lösen durch Vibrationen zu sichern. Damit wird eine wesentliche Erhöhung der Sicherheit des Systems erreicht.
In 1 in radialer Richtung von aussen gesehen ist ein Ausschnitt eines Rotors 10 eines grossen Hydrogenerators/Motors mit einem Wickelkopf 11 dargestellt, der mit einer Rückhaltevorrichtung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerüstet ist. Der grundsätzliche Aufbau des Rotors 10 kann der eingangs zitierten Druckschrift entnommen werden. Der Rotor 10 hat ein zylindrisches Rotorjoch 12 mit am äusseren Umfang verteilt angeordneten axialen Wicklungsnuten 13. In die Wicklungsnuten 13 sind (jeweils paarweise übereinander) Wicklungsstäbe 14, 15 der Rotorwicklung eingelegt. Die axial aus dem Rotorjoch 12 austretenden Wicklungsenden 16, 17 sind abgekröpft und nach einem vorgegebenen Wicklungs- bzw. Phasenschema untereinander an den Enden mittels Rundösen 18 elektrisch verbunden. Die Wicklungsenden 16, 17 sind Teil des Wickelkopfes 11.
Innerhalb des Wickelkopfes 11 erstreckt sich in axialer Richtung eine (zylindrische) axiale Verlängerung 21 des Rotorjochs 12, die stirnseitig durch eine Pressplatte 29 abgeschlossen wird, an der sich eine Vielzahl von axialen Spannbolzen 30 abstützt, die das Blechpaket des Rotorjochs 12 in axialer Richtung zusammenhalten. Am äusseren Umfang der Verlängerung 21 sind in axialer Richtung hintereinander mehrere Radkränze 34 angeordnet, in denen über den Umfang gleichmässig verteilt hammerförmige Aussparungen 19 vorgesehen sind, die der Befestigung der erfindungsgemässen Rückhaltevorrichtung für den Wickelkopf 11 dienen. Die Rückhaltevorrichtung umfasst eine Vielzahl von radialen Bolzen 24.
Wie aus 2 und 5 ersichtlich ist, werden radiale Bolzen 24 verwendet, die fest mit dem Schaft 31 verbundene Köpfe 25 aufweisen. Die feste Verbindung der Köpfe 25 mit den Bolzen 24 erfolgt bevorzugt stoffschlüssig, beispielsweise durch Schmieden oder Schweissen. So werden insbesondere Bolzen 24 mit angeschmiedeten oder fix verschweissten Köpfen 25 verwendet. Die Köpfe 25 weisen zwei gegenüberliegende gerade Flanken 26, 27 auf, die zum Anziehen der Bolzen 24 mit einem Gabelschlüssel oder dgl. dienen. Weiter werden anstelle von rechteckigen Unterlegscheiben axial verlaufende Halteleisten 23 eingesetzt, welche die Rückhaltekräfte der Bolzen 24 gleichmässig auf die Wicklung bzw. den Wickelkopf 11 verteilen.
Die Schraubenköpfe 25 wie auch die Halteleisten 23 zeichnen sich weiter durch ihre aerodynamische Form aus (runde Köpfe 25 und abgerundete Kanten der Halteleisten 23), was zu einer Reduktion der Reibungsverluste im Betrieb führt.
Die radialen Bolzen 24 verlaufen in radialer Richtung durch den Wickelkopf 11 und werden in den hammerförmigen Aussparungen 19 im axial erweiterten Rotorjoch (21) aufgenommen. Die Bolzen 24 werden mittels einer mit Gewindebohrungen versetzten Gegenleiste 20 zurückgehalten. Entsprechend der Halteleiste 23 auf der Vorderseite verläuft die Gegenleiste 20 über die Länge der Rotorjochverlängerung. Jeder Bolzen 24 kann somit individuell eingeschraubt und auf die nötige Spannung gebracht werden. Zwischen Wickelkopf 11 und der Verlängerung 21 des Rotorjochs 12 sind zusätzlich noch axiale Abstandskörper 22 angeordnet, durch welche die Bolzen 24 hindurchreichen.
Wie aus 5 ersichtlich ist, haben die ansonsten runden Bolzen 24 am freien Ende eine Ausnehmung 32 mit einer rechteckigen Anlagefläche 33. Dies hat den folgenden Grund: Die Bolzen 24 werden mittels geeigneter Werkzeuge auf die notwendige Spannung angezogen, so dass in der Endposition die geraden Flanken 26, 27 der Schraubenköpfe 25 quer zur Längsachse der Maschine stehen; wie dies in 1 und 2 dargestellt ist. In dieser Position verläuft die rechteckige Anlagefläche 33 der Enden der Bolzen 24 parallel zu den Flanken der hammerförmigen Aussparungen 19. Sobald nun alle Bolzen 24 einer Reihe (Halteleiste 23) angebracht sind, kann eine Sicherungsleiste 28 (4) in die verbleibende Aussparung eingebracht werden. Dabei ist die Sicherungsleiste 28 so dimensioniert, dass sich die Bolzen 24 nicht mehr drehen lassen. Dieses Prinzip erlaubt auf einfache Weise das Sichern sämtlicher Teile der Rückhaltevorrichtung vor unvorhergesehener Lockerung der verschraubten Teile. Im Weiteren ist es auch möglich, auf dieselbe Weise die Bolzen 24 beidseitig mit einer eingeschobenen Leiste zu sichern, wenn die Enden der Bolzen entsprechend mit zwei parallelen Anlageflächen versehen sind. Schliesslich bestünde eine weitere Möglichkeit der Sicherung darin, die Bolzen 24 hinten mit Schlitzen zu versehen, durch welche zur Sicherung ein Metalldraht eingeführt werden kann.

10: Rotor
11: Wickelkopf
12: Rotorjoch
13: Wicklungsnut
14, 15: Wicklungsstab
16, 17: Wicklungsende (gekröpft)
18: Rundöse
19: Aussparung
20: Gegenleiste
21: Verlängerung (Rotorjoch)
22: Abstandskörper
23: Halteleiste
24: Bolzen
25: Kopf (Bolzen)
26, 27: Flanke
28: Sicherungsleiste
29: Pressplatte
30: Spannbolzen
31: Schaft
32: Ausnehmung
33: Anlagefläche
34: Radkranz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19513457 A1 [0003]

Claims

Rotor (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Hydrogenerators, welcher Rotor (10) ein Rotorjoch (12) mit am äusseren Umfang verteilt angeordneten axialen Wicklungsnuten (13) umfasst, in die Wicklungsstäbe (14, 15) der Rotorwicklung eingelegt sind, deren axial aus dem Rotorjoch (12) austretenden Wicklungsenden (16, 17) einen Wickelkopf (11) bilden, welcher mittels einer eine Vielzahl von radialen Bolzen (24) umfassenden Rückhaltevorrichtung (19,..,28) gegen die angreifenden Fliehkräfte zurückgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Bolzen (24) fest mit dem Schaft (31) verbundene Köpfe (25) aufweisen.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (25) der radialen Bolzen (24) mit dem Schaft (31) stoffschlüssig verbunden sind.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (25) der radialen Bolzen (24) mit dem Schaft (31) verschweisst sind.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (25) der radialen Bolzen (24) eine aerodynamisch günstige Form aufweisen.
Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (25) der radialen Bolzen (24) auf der Oberseite abgerundet sind und zum Anziehen der Bolzen (24) auf gegenüberliegenden Seiten zwei gerade Flanken (26, 27) aufweisen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete radiale Bolzen (24) jeweils eine gemeinsame, in axialer Richtung verlaufende Halteleiste (23) von aussen gegen den Wickelkopf (11) pressen.
Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteleisten (23) zur Verbesserung der Aerodynamik abgerundete Längskanten aufweisen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung der Bolzen (24) am äusseren Umfang einer innerhalb des Wickelkopfes (11) befindlichen axialen Verlängerung (21) des Rotorjochs (12) hammerförmige Aussparungen (19) vorgesehen sind, in welche in axialer Richtung mit Gewindebohrungen versehene Gegenleisten (20) zum Einschrauben der radialen Bolzen (24) eingeschoben sind.
Rotor nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu jeweils einer Halteleiste (23) gehörenden radialen Bolzen (24) in eine gemeinsame Gegenleiste (20) eingeschraubt sind.
Rotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (28, 32, 33) zur Sicherung der radialen Bolzen (24) gegen ein Verdrehen vorgesehen sind.
Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Bolzen (24) jeweils am inneren Ende eine Ausnehmung (32) mit einer rechteckigen Anlagefläche (33) aufweisen, und dass die radialen Bolzen (24) durch in die Aussparungen (19) axial eingeschobene, an den Anlageflächen (33) anliegende Sicherungsleisten (28) gegen ein Verdrehen gesichert sind.