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Elektrische Maschine mit aufgeschrumpfter Läuferkappe Die Erfindung
betrifft eine elektrische Maschine mit einer die Stimverbindungen der in Nuten im
Läufer untergebraühten Leiter abstützenden aufgeschrumpften Kappe, deren eine Randzone
das Läuferende überdeckt und mit einer glatten inneren Ringnut zur Aufnahme eines
Sperringes versehen ist, der die axiale Verschiebung der Kappe auf dem Läufer begrenzt.
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Bei einer bekannten Konstruktion der vorgenannten Art hat der Sperring
die Form eines biegsamen Drahtes, der nach Aufschrumpfen der Kappe auf den Läufer
durch einen in der Kappe vorgesehenen tangentialen Einführungskanal in die dafür
vorgesehene Ringnut eingeschoben werden kann. Es können auch mehrere Einführungskanäle
vorhanden sein, durch die jeweils ein Teil des Sperringes eingeführt wird. Die tangentialen
Einführungskanäle stellen nun Unstetigkeiten dar, an denen bei hohen Beanspruchungen
Spannungskonzentrationen entstehen, die zu Rißbildungen führen können. Die Kappe
weist auf Grund der tangentialen Kanäle weiterhin eine Unwucht auf, die bei hohen
Drehzahlen erhebliche Werte erreichen kann. Damit der Sperrring leicht in die Ringnut
eingeschoben werden kann, muß weiterhin der Querschnitt der Ringnut größer ausgebildet
sein als der des Sperringes. Der zwischen der Ringnut und dem Sperring vorhandene
Spielraum ermöglicht nun also eine unerwünschte axiale Verschiebung der Kappe auf
dem Läufer.
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Es ist weiterhin bereits eine Anordnung für die Befestigung von Läuferkappen
an Turbogeneratoren bekannt, bei welcher am Ende der Läuferkappe radiale Zähne vorgesehen
sind, die zwecks Befestigung der Kappe in am Ende des Läufers frei gelassene Teile
der Keilnuten eingeschoben werden und dann durch Drehung der Läuferkappe um eine
halbe Läufernutenteilung sich mit den hinterdrehten Läuferzähnen nach Art eines
Bajonettverschlusses verkeilen. Dabei ist unmittelbar hinter den Kappenzähnen und
den hinterdrehten Läuferzähnen je ein drehbarer Ring mit gleichmäßig verteilten
Füllstücken angeordnet, wobei beim Verdrehen der Läuferkappe am Läufer die Kappenfüllstücke
in den Keilnuten des Läufers stehenbleiben, während die Läuferfüllstücke in der
Umfangsrichtung hinter die Kappenfüllstücke geschoben werden. An den am einen Ende
der Kappe vorgesehenen radialen Zähne treten sprunghafte Querschnittsänderungen
der Kappe auf, die höchst unerwünschte Kerbbeanspruchungen zur Folge haben. In den
Innenkanten der Zahnlücken der Kappe entstehen daher Kräftekonzentrationen, die
zu Rißbildungen führen können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindung
zwischen der Kappe und dem Läufer derart auszugestalten, daß die Kappe den bei Betrieb
der Maschine auftretenden radikal wirkenden Fliehkräften sicher standhalten kann.
Wegen der hohen Drehzahlen erreichen diese Fliehkräfte sehr hohe Werte. Sie führen
dazu, daß die Kappe zu den am stärksten beanspruchten Teilen dynamoelektrischer
Maschinen gehört. Außer den Fliehkräften wirken auf die Kappe noch axiale Schubkräfte,
die von Wärmedehnungen der im Läufer vorgesehenen Leiter herrühren. Es kommt noch
hinzu, daß die Kappe bereits im Ruhezustand der Maschine vorgespannt ist, da sie
ja auf den Läufer aufgeschrumpft ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun bei einer elektrischen
Maschine der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sperring
mit im Abstand angeordneten, nach innen abstehenden Ansätzen versehen ist, die bajonettverschlußartig
hinter entsprechende, nach außen abstehende Ansätze des Läufers eingeschoben und
durch Verdrehung hinter dem Ansatz kraftschlüssig mit dem Läufer verriegelt sind.
Da durch die Ausgestaltung des Sperringes die Möglichkeit besteht, der Kappe einen
über den ganzen Umfang hin gleichbleibenden Querschnitt zu geben, durch den alle
Kerbwirkungen und Spannungskonzentrationen in der Kappe vermieden werden, kann bei
der erfmdungsgemäßen Ausführung die Kappe günstiger bemessen
werden,
als es bei den bekannten Anordnungen möglich ist, bei denen unerwünschte Spannungskonzentrationen
in der Kappe unvermeidlich sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen
näher erläutert; in diesen zeigt F i g. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines
Läufers an der Stelle, an der der Hauptkörper des Läufers in die Lagerzapfen übergeht,
wobei auch die Stimverbindungen der Wicklung und die Kappe dargestellt sind, und
Fig. 2 eine schaubildliche Schnittansicht, welche die Einzelheiten der Verriegelung
erkennen läßt. Der Hauptkörper la des Läufers 1 ist mit Lagerzapfen
1 b versehen. Die auf dem Läufer angeordneten Wicklungen bestehen aus in
Längsnuten 15
und 17 des Läufers untergebrachten stabförmigen Leitern
und aus Querstegen 2, welche die Stirnververbindungen der Wicklung bilden und sich
in Umfangsrichtung erstrecken. Diese Stege 2 legen sich unter dem Einfluß der Fliehkraft
an eine auf den Läufer aufgeschrumpfte Kappe3. Die Schrumpfpassung befindet sich
zwischen einer Ringflächelc des Läufers und einer Innenfläche 3 b
der Kappe 3. Diese ist mit ihrem anderen Ende auf einen Zentrierring 4, und
zwar auf dessen Außenfläche 4 a, aufgesehrumpft. Zwischen dem Lagerzapfen
1 b und der Innenfläche 4 b des Zentrierringes 4 befindet sich ein
reichlich bemessener Spalt 5, der dem Lagerzapfen 1 b
eine geringe
Durchbiegung ermöglicht, ohne daß dadurch die Kappe 3 aus ihrer gleichachsigen
Lage gegenüber dem Hauptläuferkörper 1 a gebracht würde, auf den die Kappe
aufgeschrumpft ist. Von der Kappe 3 sind die Stirnverbindungen 2 durch Zwischenlagen
6 isoliert. Die Paßfläche 3 b an der dem Läufer zugewandten
Randzone der Kappe ist durch eine Dämpferwicklung 7 dagegen geschützt, möglicherweise
durch starke übergangsströme verbrannt zu werden.
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Außer durch die Schrumpfpassung ist nun die Kappe 3 auf dem
Läufer 1 durch einen Sperring 9
gegen axiale Verschiebung verriegelt.
Dieser Sperrring 9 sitzt in einer inneren Ringnut 3 a der Kappe, und
er hat innere Ansätze 12, 13, die in Aussparungen 1 d, 1 g
des Läufers eingreifen. Sein Querschnitt ist ungefähr rechteckig, und er ist bei
11 durchschnitten, so daß man seine Enden übereinanderschieben und ihn zusammendrücken
und ihn in diesem Zustande in die Kappe3 in axialer Richtung einschieben kann, bis
er in die innere Nut 3 a der Kappe einschnappt, die keinerlei Bohrungen,
axiale Schlitze oder andere Unstetigkeiten ihres Querschnitts aufweist, an denen
sich Spannungskonzentrationen ergeben würden. Um jede Kerbwirkung zu vermeiden,
ist die Ringnut 3 a an ihrer inneren Kante bei 3 c abgerundet.
Die äußere Kante 9a des Sperringes ist abgeschrägt, so daß der Sperring beim Einschnappen
in die Nut 3 a zu einer satten Anlage an deren Grundfläche gelangt.
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Die innen vorspringenden Ansätze des Sperringes 9
umfassen zwei
verschiedene Arten von Ansätzen, nämlich Ansätze 12 mit einer der Breite des Sperrringes
entsprechenden axialen Länge und Ansätze 13, die länger bemessen sind, als es der
Breite des Sperrringes 9 entspricht. Die Ansätze 12 sind über den größten
Teil des Umfanges des Sperringes herum im Abstand voneinander angeordnet. Der Hauptteil
la des Läufers bildet Pole le, die von den Wicklungen umgeben sind. Diese sind in
Nuten 17 untergebracht, die sich in den Bereichen lf der Läuferoberfläche
befinden. Die Pole 1 e nehmen dabei einen viel kleineren Teil des Umfanges
ein als die Bereiche lf. Handelt es sich um einen Stromerzeuger mit einem zweipoligen
Läufer, dann liegt dem Pol 1 e ein entsprechender Pol um 180' versetzt
gegenüber. Bei einer vierpoligen Maschine indessen ist der Läufer mit vier um
90' gegeneinander versetzten Polen 1 e
versehen. Die zwischen
den Wicklungsnuten 17 verbleibenden Zähne 16 sind ebenso wie die Polzähne
14 am Ende des Läuferkörpers auf einen geringeren Durchmesser abgedreht, um die
Sitzflächen lc für die Schrumpfpassung vorzusehen. Die Gegenfläche 3
b
der Kappe 3 hat eine lichte Weite, die etwas kleiner als der
Durchmesser der Sitzfläche lc bemessen ist und sich beim Erwärmen der Kappe
3 weit genug dehnt, damit man die beiden Sitzflächen aufeinanderschieben
kann. Nach dem Abkühlen der Kappe ergibt sich dann die Schrumpfpassung, durch die
die Kappe fest auf dem Läuferkörper la gehalten wird.
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Die Wicklungszähne 16 und die Polzähne 14 sind mit bogenförmigen
Aussparungen ld bzw. lg versehen, die lang und tief genug bemessen sind, um die
Ansätze 12 und 13 des Sperringes mit einem gewissen Spielraum aufnehmen zu
können, der ein leichtes Drehen des Sperringes 9 bis in die Sperrstellung
ermöglicht. In Achsenrichtung betrachtet sind diese Aussparungen 1
d, 1 g außen durch radiale Flanschflächen lh, Ij begrenzt. Der Läufer
ist also für jeden Ansatz 13 des Sperringes 9 mit einer Aussparung
lg und für jeden Ansatz 12 des Sperringes 9
mit einer Aussparung ld versehen.
Die in Umfangsrichtung gemessene Länge der Ansätze 12 und 13
des Sperringes
9 ist so kurz bemessen, daß, wenn man die Kappe 3 mit dem in ihre
Ringnut eingeschnappten Sperring 9 ausgehend von der in F i g. 2 gezeigten
Lage auf den Läufer 1 aufschiebt, die Ansätze längs der Nuten 15 und
17 auf den Läufer aufgleiten.
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Die zur Aufnahme der Wicklungen dienenden Läufernuten 17 sind
in der üblichen Weise durch Keile 18 verschlossen, die verhindern, daß die
Wicklungsstäbe aus den Läufernuten 17 durch die Fliehkraft herausgeschleudert
werden. In entsprechender Weise sind die Dämpferwicklungen.7 in den Polnuten
15 durch Keile 19 gesichert. Die Keile 18 und 19
sind
nur an ihren Enden bei 18 a und 19 a dünner bemessen und bilden dort
Flächen, auf welche die Ansätze 12 und 13 bei der axialen Verschiebung der
Kappe 3 aufgleiten können. Nach diesem Aufgleiten muß man den Sperring bajonettverschlußartig
drehen, .bis die Ansätze 12 und 13 in der Aussparung 1 d und lg zu
liegen kommen und sich an den radialen Flanschflächen lh und li abstützen. Alsdann
setzt man z. B. eine Sicherungsschraube 21 ein, die in eine Gewindebohrung eines
Polzahnes 14 eingesehraubt wird, um eine ungewollte Verdrehung des Sperringes
19 gegenüber dem Läuferkörper la zu verhindern. Die Schraube 21 greift dabei
in eine Aussparung 13 a, die in dem Ende eines der Ansätze
13
vorgesehen ist, und in eine entsprechende Aussparung 14 a des entsprechenden
Polzahnes. Eine entsprechende Sperrschraube ist auf dem in Durchmesserrichtung gegenüberliegenden
Pol des Läufers vorgesehen, um sicherzustellen, daß der Sperring zuverlässig gegen
Drehung gesichert ist. Das Einschrauben der Schraube 21 erfolgt aber erst dann,
wenn die
Kappe mit dem Sperring bajonettverschlußartig auf den Läufer
aufgeschoben ist. Die Ansätze 13 sind so lang bemessen, daß sie in Achsenrichtung
über den Abschnitt 3d der Kappe 3 an deren Stirnseite vorspringen.
Das bietet die Möglichkeit, nach dem Aufschieben des aus der Kappe 3 und
dem Sperring 9
bestehenden Aggregats auf den Körper 1 des Läufers und
nach dem Festschrumpfen der Kappe 3 auf diesem den Sperring 9 für
sich allein gegenüber dem Läufer zu verdrehen.
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Der Zusammenbau der Teile verläuft also wie folgt: Zunächst läßt man
den Sperring, wenn er als Sprengring ausgebildet ist, in die Innennut 3a der Kappe
einspringen, indem man die Enden des Sprengringes 9 an der Fuge
11 übereinanderschiebt und den Ring zusammendrückt und ihn dann in die Kappe
3
einschiebt. Alsdann wird die Kappe gleichmäßig so weit erwärmt, daß man
sie auf den Läuferkörper 1 in Achsenrichtung aufschieben kann, bis die Paßflächen
3b und lc übereinanderliegen. Bei diesem Aufschieben der Kappe auf den Läufer
gleiten die Ansätze 13 des Sprengringes in Achsenrichtung in die Polnuten
15 hinein, während sich die Ansätze 12 des Sprengringes in die Wicklungsnuten
17 hineinschieben. Die Kappe 3 wird in Achsenrichtung so weit aufgeschoben,
bis die Ansätze 13 zu den Enden der Aussparungen lg der Polzähne 14 ausgerichtet
sind. Ist diese Ausrichtung auf den in Durchmesser einander gegenüberliegenden Seiten
des Läufers erreicht, dann ist damit sichergestellt, daß Ae nunmehr verdeckt liegenden
Ansätze 12 auch gegenüber den Aussparungen 1 d der Wicklungszähne
16 ausgerichtet sind. Alsdann dreht man den Sprengring 9 entweder
für sich allein oder zusammen mit der Kappe3 in Umfangsrichtung gegenüber dem Läuferkörper
la. Durch diese Drehung werden die Ansätze 13 in die Aussparungen
1 g eingeschoben, und die Ansätze 12 gelangen in die Aussparungen ld. Das
richtige Winkelmaß der Drehung ergibt sich dabei von selbst, weil der letzte Ansatz
13 in der Drehrichtung betrachtet an den Anschlag 1 k des Polzahnes
stößt und dadurch eine zu weite Drehung verhindert. Nach dieser Drehung sind die
Aussparungen 13 a und 14 a
für die Sicherungsschraube 21 miteinander
ausgerichtet, so daß man diese Sicherungsschraube nunmehr einsetzen kann. Die Ansätze
12 und 13 begrenzen dann die axiale Verschiebbarkeit der Kappe, weil sie
an die Gegenflächen 1 h und 1 i an dem äußeren Ende der Aussparung
ld und lg anstoßen. Die Kappe wird dann in Achsenrichtung etwas zurückgeschoben,
bis sich der Sprengring 9 an diese Anschlagflächen anlegt. Alsdann läßt man
die Kappe sich so weit abkühlen, daß ihre Paßfläche 3b die Fläche Ic des
Läufers mit Schrumpfpassung ergreift. Gleichzeitig erfolgt das Aufschrumpfen der
Kappe 3 mit deren äußerer Randzone auf dem Zentrierring 4, auf den beim Abkühlen
des Aggregats eine ihn an den radialen Flansch 3 e der Kappe andrückende
Kraft ausgeübt wird. Dieselbe axiale Kraft bringt die Kappe 3 mit der einen
Flanke ihrer Nut 3 a
zur Anlage an dem Sperring 9.
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Die Kappe 3 ist also durch sehr einfache Mittel am Läufer verriegelt,
ohne daß dazu irgendwelche Unstetigkeiten des Querschnittes der Kappe erforderlich
würden, die zu Spannungskonzentrationen füh-
ren würden. Vielmehr ist die
Kappe mit einer glatten Ringnut versehen. Es finden daher keinerlei Kerbwirkungen
statt, die zu einem Bruch der Kappe füh-
ren könnten. Die Kappenspannung kann
daher sehr hoch bemessen werden, ohne die Betriebssicherheit zu gefährden.
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Es wäre auch möglich, die Ansätze 12 ebenso auszugestalten wie die
Ansätze 13. In diesem Falle müßten die Aussparungen 1 d, ebenso lang
bemessen werden wie die Aussparungen lg, was freilich den Nachteil hätte, daß die
Schulter 1 k fortfallen würde.
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Auch könnten alle Ansätze die Gestalt der Ansätze 12 erhalten. Das
würde aber die Möglichkeit erschweren, den Sperring 9 für sich allein zu
drehen. Dieser müßte daher mit Festsitz in die Nut eingepaßt sein, damit man ihn
zusammen mit der Kappe 3 als Ganzes in die Sperrstellung drehen kann. Schließlich
bestünde die Möglichkeit, den Sperring aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen.