DE2405362A1

DE2405362A1 - Zusammengesetzter ankerkern fuer dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DE2405362A1
Application number: DE19742405362
Authority: DE
Inventors: Sterling Cheney Barton; Nikolas Schmitt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1974-02-05
Publication date: 1974-09-12
Also published as: JPS5628456B2; FR2220909A1; JPS5024707A; US3812392A; CH564267A5

Description

Zusammengesetzter Ankerkern für dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf lameliierte Ankerkernkonstruktionen für große dynamoelektrische Maschinen, wie beispielsweise zweipolige Turbinengeneratoren mit Umdrehungszahlen von 3 600 U/min.

Es ist bekannt, daß der Ankerkern eines Generators in radialer Richtung mit einer Frequenz schwingt, die doppelt so groß ist wie die Drehgeschwindigkeit des zweipoligen Feldrotors. Deshalb bringt das Magnetfeld des Rotors eine Verformung des Stators in eine elliptische Form mit sich, die synchron mit dem Rotor umläuft.

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Eine vollständige Erläuterung dieser Erscheinung ist in einem Artikel mit dem Titel "Suppression of Magnetic Vibration and Noise of Two-Pole Turbine Generators" von A.L. Penniman, Jr. und H.D.- Tayler, American Institute of Electrical Engineers Transactions, Band βθ, 1.941 (AIEE Paper 41-39) beschrieben, der hier.-mit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.

Die Amplitude der radialen Auslenkungen hat einen signifikanten Einfluß auf den Aufbau des Generators und beeinflußt die Halterungsart des Kernes in seinem Rahmen durch Federbefestigungen oder andere Mittel. Radiale Auslenkungen können dadurch auf ein Minimum herabgesetzt werden, daß die radiale Tiefe der Stanzteile vergrößert werden, wodurch der Gesamtdurchmesser des Kernes vergrößert wird. Dies trägt jedoch zu den Kosten des Generators bei und ruft auch Transportprobleme bei großen Maschinen hervor. Es ist weiterhin bekannt, daß die radialen Schwingungsauslenkungen in der Mitte der dynamoelektrischen Maschine größer sind als an den Enden. Somit würde eine Vorrichtung zur'Verkleinerung des gesamten Kerndurchmessers, die keine entsprechende Vergrößerung der Vibrationsauslenkungen am Mittelabschnitt des Kernes herbeiführt, signifikante Aufbauvorteile und Kostenersparnisse gestatten.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Stanzbleche oder Lamellen des Ankerkernes einer dynamoelektrischen Maschine aus nicht orientiertem Material oder sogenanntem kornorientiertem Material hergestellt sein können. Das letztgenannte Material hat einen größeren Vorzug für den Magnetfluß in der einen Richtung als in einer dazu senkrechten Richtung. Eine dynamoelektrische Maschine wird unter Verwendung des teureren kornorientierten Materials gebaut, wenn der optimale Aufbau so ist, daß die elektromagnetischen AusIegungsgrenzen erreicht werden, bevor die mechanischen AusIegungsgrenzen hinsichtlich der Vibrationsbwegung erreicht werden.

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Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ankerkernaufbau für eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, der eine Verkleinerung des gesamten Kerndurchmessers gestattet, wo mechanische Grenzen aber nicht magnetische Grenzen erreicht werden, ohne.daß eine entsprechende bzw. gleich große Erhöhung der Amplitude der radialen Schwingungsauslenkungen am Mittelabschnitt des Kernes hervorgerufen wird.

Diese Aufgabe wird, kurz gesagt, erfindungsgemäß durch einen lamellierten Kern einer dynamoelektrischen Maschine gelöst, der nicht orientiertes Material an seinem Mittelabschnitt und kornorientiertes Material an seinen Endabschnitten aufweist. Gemäß der Erfindung werden auch Übergangsabschnitte vorgeschlagen, die gemischte oder verschachtelte Lamellen aus kornorientiertem und nicht orientiertem Material aufweisen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur ist ein vereinfachter Querschnitt eines zweipoligen Turbinengenerators.

Ein Generator 1 weist einen Rotor 2 auf, der mit einer Feldwicklung versehen und in einem Rahmen 3 drehbar angebracht ist. Ein feststehender Ankerkern 4 ist mit einer Hauptankerwicklung 5 in bekannter Weise in Längsnuten vorgesehen. Normalerweise sind auch geeignete Maßnahmen zur Kühlung mit Gas oder Flüssigkeit (nicht gezeigt) vorgesehen.

Der Kern 4 ist durch eine von vielen möglichen Anordnungen in dem Rahmen 3 gehalten. Typische Konstruktionen sind in den US-Patentschriften 2 199 351 oder 2 554 226 beschrieben, die durch diese Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen

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werden. Der Kern H ist in üblicher Weise aus // -förmigen und miteinander verschachtelten Lamellen oder Stanzstücken 6 gebildet, die zusammen einen zylindrischen Teil bilden und an den Enden durch schwere Stahlklemmringe oder Plansche 7 zusammengehalten sind.

Wie in dem eingangs genannten Artikel (AIEE Paper) beschrieben ist, wirkt der Kern H als wäre er ein Zylinder großer Festigkeit und Steifheit, unabhängig von dem Rahmen 3, obwohl der Kern aus getrennten Lamellen- bzw. Blechteilen aufgebaut ist. Diesen Zylinder kann man sich so vorstellen, daß er einen Außendurchmesser D und einen Innendurchmesser D. aufweist, der zwischen den Unterseiten der Hauptwicklungsnuten gemessen ist. Eine Formel für die Steifigkeit dieses Kernzylinders kann aus bekannten Formeln zur Berechnung der Steifigkeit eines Ringes gegen elliptische Verformungen wie folgt erhalten werden:

ς -

Darin ist S die Steifigkeit, E der effektive Elastizitätsmodul, I das Trägheitsmoment und R der Radius zur neutralen Achse.

Radiale Auslenkungen mit Amplituden d werden durch das rotierende Magnetfeld des Rotors 2 hervorgerufen. Dies wird durch eine übertrieben groß dargestellte gestrichelte gekrümmte Linie angedeutet, die von einer horizontalen Linie abweicht, die die rohe Ruheposition angibt. Die Auslenkungsamplituden d sind an der Mitte größer als an den Enden des Kerns. Dies liegt an der größeren Steifigkeit der Klemmringe 7 und deren größeren Entfernung von den Magnetpolen des Rotors. Demzufolge nimmt die Schwingungsamplitude d_r bis zu einem Maximum in der Mitte des Kernes zu, da dies die Stelle ist, die durch den festhaltenden Einfluß der Klemmringe am wenigsten beeinflußt ist.

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Wie sich aus der oben angegebenen Formel für die Steifigkeit ergibt, ist die Steifigkeit proportional zum Elastizitätsmodul E, der einen Wert von 30 χ 10 für Stahl hat und der für massive Stahlklemmringe gilt. Andererseits ist der "effektive" Elastizitätsmodul eines lamellierten Kerne's durch verschiedene empirische Methoden einschließlich Frequenzmessungen ermittelt worden, und es wurde gefunden, daß er etwa 2/3 des Elastizitätsmoduls für ein massives Stahlteil beträgt.

Gemäß der Erfindung sind die Endabschnitte 8 des Kernes aus kornorientiertem Material hergestellt, während die Hauptlänge des Mittelabschnittes 9 aus nicht-orientiertem Material aufgebaut ist. Übergangsbereiche 10, die zwischen Abschnitten 8 und 9 auf gegenüberliegenden Enden des Kernes angeordnet sind, sind aus einer Mischung dieser zwei Materialien aufgebaut, indem beispielsweise Lamellen aus kornorientiertem und nicht-orientiertem Material selektiv verschachtelt oder abwechselnd angeordnet sind.

Es ist an sich bekannt, daß nicht-orientiertes Material einen ■ größeren effektiven Elastizitätsmodul E (und demzufolge größere Steifigkeit) aufweist als ein kornorientiertes Material. Die Werte für den Elastizitätsmodul E für diese zwei Materialien sind etwas umstritten, und zwar wegen der empirischen Methoden zu ihrer Ermittlung, aber es besteht allgemein Übereinstimmung, daß nicht-orientiertes Material einen effektiven Modul E besitzt, der etwa 20 bis 30 % größer ist als der Modul von kornorientiertem Material, wenn es in der lamellierten Kernkonfiguration vorliegt. Demzufolge wird die Steifigkeit des Mittelabschnittes 9" des Kernes größer gemacht als die Steifigkeit der Endabschnit.te 8 des Kernes, und die Steifigkeitsänderungen entlang dem Kern können von dem Fachmann auf die gewünschten Werte eingestellt werden, indem die Längen der Abschnitte 8, 9 und 10 verändert werden.

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Erhöhungen der Steifigkeit haben zwei Einflüsse bei der Verkleinerung der Schwingungsamplitude. Erstens ist die Amplitude d umgekehrt proportional zur Steifigkeit S für eine statische Auslenkungskraft . Zweitens wird die natürliche Frequenz f des Kernes als einen schwingenden Teil im Verhältnis zur Quadrat- . wurzel der Steifigkeit vergrößert, wie es sich aus der folgenden Formel ergibt:

f = K ^UL

ⁿ vT

Darin ist K¹ eine Konstante und W das Gewicht. Die Schwingungsamplitude d ist proportional zu dem Faktor:

Darin ist f die Frequenz des magnetischen Zuges des Rotors. Für Werte f größer als f verkleinern Erhöhungen von f (aufgrund von Steifigkeitszunahmen)·diesen Faktor.

Demzufolge haben Vergrößerungen des Moduls E am Mittelabschnitt des Kernes (Herbeiführung einer größeren Steifigkeit) einen doppelten Effekt bei der Verkleinerung der Schwingungsamplitude d im Mittelteil des Kernes. Dennoch kann kornorientiertes Material an den Kernenden verwendet werden, wo ein erhöhtes Flußführungsvermögen aufgrund des Streuflusses von den Wickelköpfen erforderlich ist. Deshalb kann der Aufbau angepaßt werden, um die magnetischen Vorteile von kornorientiertem Material an den Enden mit den mechanischen Vorteilen von nicht-orientiertem Material in der Mitte der Maschine abzustimmen.

Jie Vorteile der dynamoelektrischen Maschine gemäß der Erfindung können auf zwei Wegen erreicht werden. Erstens können die

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Schwingungsamplituden an der Mitte verkleinert werden, um so gleichförmigere Schwingungsamplitudeη auf der Länge des Kernes zu erhalten, wodurch Probleme bei der Anbringung des Kernes an dem Rahmen vermindert v/erden. Diese verkleinerte Amplitude in der Mitte ist in der Zeichnung durch die Bezugszahl 11a angegeben.

Unter der Annahme ₃ daß die Magnetflußdichte zulässige Werte behält, besteht die zxieite Konstruktionsmöglichkeit darin, den Gesamtdurchmesser einer Maschine zu verkleinern, die vollständig aus kornorientiertem Material aufgebaut ist, wobei nichtorientiertes Material am Mittelabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt wird. Verkleinerungen im Durchmesser verkleinern den Radius R und demzufolge die Steifigkeit gemäß der vorstehend angegebenen Steifigkeitsformel. Dies führt dazu, daß die Schwingungsamplituden, auf der gesamten Länge des Kernes zunehmen. Jedoch ermöglicht das Einsetzen von nicht-orientiertem Material im Mittelabschnitt gemäß der Erfindung dem Entwickler, dann die Steifigkeit im Mittelabschnitt zu vergrößern, um so die Amplitude dort herabzusetzen. Durch richtigen Ausgleich von verkleinertem Kerndurchmesser und der Verwendung von nicht-orientiertem Material im Mittelabschnitt braucht die Schwingungsamplitude in der Mitte der neugestalteten Maschine nicht größer zu sein als ihr Wert vor der Neugestaltung.

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Claims

Ansprüche

1. !Dynamoelektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator,

bei der die Rotati'on des Rotors im Stator zu mechanischer Verformung und Schwingung des Stators aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen Magnetpolen des Rotors und des Stators . führen kann und der Statorkern aus einer Vielzahl lamellierter Teile aus Magnetmaterial aufgebaut ist, die zur Bildung eines stabilen zylindrischen Körpers mechanisch aneinander befestigt sind, gekennzeichnet durch eine erste Vielzahl lamellierter Teile an der Mitte (9) der Längsachse des Kernes, die aus Magnetmaterial gebildet sind, das einen hohen Elastizitätsmodul aber keine magnetische Suszeptibilität mit Vorzugsrichtung aufweist,

eine zweite Vielzahl lamellierter Teile an jedem Ende (8) des Kernes, die aus Magnetmaterial aufgebaut sind, das einen kleineren Elastizitätsmodul als die erste Vielzahl lamellierter Teile und eine magnetische Suszeptibilität mit Vorzugsrichtung aufweisen derart, daß

der zusammengesetzte Kern eine hochgradige Beständigkeit gegen mechanische Verformung und Schwingung an seiner Mitte (9) in Längsrichtung und eine hochgradige richtungsmäßig bevorzugte magnetische Suszeptibilität an seinen entsprechenden Enden (8) aufweist.

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Vielzahl lamellierter Kernteile (bei 9) aus nicht-kornorientiertem Magnetmaterial und die zweite Vielzahl lamellierter Kernteile (bei 8) aus kornorientiertem Magnetmaterial gebildet sind.

3· Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Übergangsbereich (10) zwischen der in der Mitte (9) angeordneten ersten Vielzahl lamellierter Kernteile und der an den Enden (8) angeordneten

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zweiten Vielzahl lamellierter Teile abwechselnd kornorientierte und nicht-orientierte lamellierte Teile aufweist.

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