Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine läufergespeiste Schleifringläufermaschine, wie sie für drehzahlregelbare Wasserkraft-Motor-Generatoren für Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz kommen.The present invention relates to a rotor for an electric machine, in particular for a rotor-fed slip-ring rotor machine, as used for variable-speed hydro-electric motor-generators for pumped storage power plants.
Die DE 10 2010 020 415 A1 offenbart einen Rotor, welcher für einen drehzahlregelbaren Wasserkraft-Motor-Generator geeignet ist. Der in dieser Schrift offenbarte Rotor umfasst Wicklungselemente, welche in axial verlaufenden Nuten eines Rotorkörpers angeordnet sind, einen Wickelkopf, welcher axial neben dem Rotorkörper angeordnet ist, wobei in dem Bereich des Wickelkopfes die Wicklungselemente in axialer Richtung aus den Nuten austreten, dann in einem Winkel zur axialen Richtung verlaufen und dann im Bereich ihrer axialen Enden wieder in axialer Richtung verlaufen und mit weiteren Wicklungselementen verbunden sind, und einen Wickelkopfträger, welcher radial innerhalb des Wickelkopfs angeordnet ist, wobei der Wickelkopf über Zugbolzen, mit dem Wickelkopfträger verbunden ist.The DE 10 2010 020 415 A1 discloses a rotor suitable for a variable speed hydro-electric motor-generator. The rotor disclosed in this document comprises winding elements, which are arranged in axially extending grooves of a rotor body, a winding head, which is arranged axially adjacent to the rotor body, wherein in the region of the winding head, the winding elements emerge from the grooves in the axial direction, then at an angle extend to the axial direction and then extend in the axial direction at its axial ends and are connected to further winding elements, and a winding head, which is arranged radially inside the winding head, wherein the winding head is connected via tie bolts, with the winding head carrier.
Die JP 2014-236 618 A offenbart einen Rotor mit einer Vielzahl von Wicklungselementen, welche in axial verlaufenden Nuten des Rotorkörpers angeordnet sind. Die Wicklungselemente sind durch Verbindungselemente so verbunden, dass die Wicklungselemente zu drei Phasen gruppiert werden. Dabei sind die Verbindungselemente auf mehreren senkrecht zur Rotorachse orientieren Ebenen angeordnet.The JP 2014-236618 A discloses a rotor having a plurality of winding elements disposed in axially extending grooves of the rotor body. The winding elements are connected by connecting elements so that the winding elements are grouped into three phases. In this case, the connecting elements are arranged on a plurality of planes oriented perpendicular to the rotor axis.
Die US 6 459 189 B1 offenbart einen ähnlichen Rotor, bei dem die Wicklungselemente ebenfalls durch Verbindungselemente gruppiert werden. Die Verbindungselemente sind dabei als separate Bauelemente ausgeführt.The US 6,459,189 B1 discloses a similar rotor in which the winding elements are also grouped by fasteners. The connecting elements are designed as separate components.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, dessen Wickelkopf für sich genommen bereits eine höhere Festigkeit aufweist, als die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung.The inventors have set themselves the task of specifying a rotor for an electrical machine, the winding head taken by itself already has a higher strength than the known from the prior art solution.
Die gestellte Aufgabe wird durch einen Rotor für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.The object is achieved by a rotor for an electric machine having the features of claim 1. Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims of claim 1.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
- 1 Erfindungsgemäßer Rotor im Bereich des Wickelkopfes;
- 2 Erfindungsgemäßer Rotor im Bereich des Wickelkopfes in axialer Sicht in einer ersten Ausführungsform;
- 3 Erfindungsgemäßer Rotor im Bereich des Wickelkopfes in axialer Sicht in einer zweiten Ausführungsform.
The solution according to the invention is explained below with reference to figures. The following is shown in detail: - 1 Inventive rotor in the region of the winding head;
- 2 Rotor according to the invention in the region of the winding head in an axial view in a first embodiment;
- 3 Rotor according to the invention in the region of the winding head in an axial view in a second embodiment.
1 zeigt in sehr schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rotor im Bereich des Wickelkopfes. Die Darstellung von 1 ergibt sich aus einer Abwicklung eines Teiles des Rotors. Der Rotor umfasst einen Rotorkörper, welcher mit 1 bezeichnet ist. Der Rotorkörper 1 wird dabei durch schraffierte Rechtecke angedeutet, welche die Zähne des Rotorkörpers darstellen, zwischen welchen die axial verlaufenden Nuten des Rotorkörpers 1 angeordnet sind. Die axiale Richtung des Rotors ist dabei durch den Pfeil angedeutet. Der Wickelkopf ist axial neben dem Rotorkörper 1 angeordnet. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Wicklungselementen, von denen in 1 nur sechs dargestellt sind, und von denen je ein Wicklungselement mit 4, 5 bzw. 6 bezeichnet sind. 1 shows a very schematic representation of a rotor according to the invention in the region of the winding head. The representation of 1 results from a settlement of a part of the rotor. The rotor comprises a rotor body, which with 1 is designated. The rotor body 1 is indicated by hatched rectangles, which represent the teeth of the rotor body, between which the axially extending grooves of the rotor body 1 are arranged. The axial direction of the rotor is indicated by the arrow. The winding head is axially adjacent to the rotor body 1 arranged. The rotor comprises a plurality of winding elements, of which in 1 only six are shown, and of which each have a winding element with 4 . 5 respectively. 6 are designated.
Die durch die Wicklungselemente gebildete Wicklung des Rotors umfasst drei Phasen. Jede Phase wird separat über entsprechende Schleifringe gespeist. Die Wicklung jeder Phase wird dadurch gebildet, dass die Enden der entsprechenden Wicklungselemente miteinander verbunden werden, wobei von jeder Phase jeweils zwei freie Enden von Wicklungselementen mit den Schleifringen verbunden werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedenen Arten von Wicklungen bekannt. Die Erfinder haben erkannt, dass mit Hilfe der sogenannten konzentrischen Wicklung ein Rotor aufgebaut werden kann, der die gestellte Aufgabe löst.The winding of the rotor formed by the winding elements comprises three phases. Each phase is powered separately via respective slip rings. The winding of each phase is formed by connecting the ends of the respective winding elements together, with two free ends of winding elements being connected to the slip rings of each phase. Various types of windings are known in the art. The inventors have recognized that with the help of the so-called concentric winding, a rotor can be constructed, which solves the task.
In 1 sind von jeder der drei Phasen nur jeweils zwei miteinander verbundene Wicklungselemente gezeigt. So gehört das Wicklungselement 4 und das entsprechende mit demselben verbundene Wicklungselement zu einer ersten Phase. Die Verbindung dieser Wicklungselemente ist mittels eines Verbindungselementes realisiert, welches mit 14 bezeichnet ist. Entsprechend gehört das Wicklungselement 5 und das mit 15 bezeichnete Verbindungselement samt dem so verbunden Wicklungselement zu einer zweiten Phase und das Wicklungselement 6 und das mit 16 bezeichnete Verbindungselement samt dem so verbunden Wicklungselement zu einer dritten Phase. In 1 sind durch die gestrichelten Linien zwei senkrecht zur Achse orientierte Ebenen angedeutet, von denen eine mit 2 und die andere mit 3 bezeichnet sind, wobei die Ebene 2 näher am Rotorkörper 1 liegt als die Ebene 3. Dabei sind alle zur ersten Phase gehörigen Verbindungselemente zwischen dem Rotorkörper 1 und der Ebene 2 angeordnet, und alle zur zweiten Phase gehörigen Verbindungselemente zwischen der Ebene 2 und der Ebene 3 angeordnet, und alle zur dritten Phase gehörigen Verbindungselemente in axialer Richtung vom Rotorkörper 1 aus betrachtet jenseits der Ebene 3 angeordnet. Es ist aus dem Gesagten klar, dass auch die jeweils zu den Phasen gehörigen Wicklungselemente entsprechend weit in axialer Richtung aus den Nuten herausreichen, wie in 1 dargestellt. Es ist klar, dass das Gesagte auch für den anderen Wickelkopf gilt, d.h. auch dort gibt es zwei weitere senkrecht zur Achse orientiere Ebenen und auch dort sind die Verbindungselemente entsprechend angeordnet. Es ist jedoch nicht zwingend, dass die Verbindungselemente einer jeden Phase auf beiden Seiten des Rotors in Relation zu den jeweiligen Ebenen gleich verlaufen. Es könnte z.B. sein, dass die Verbindungselemente von ein und derselben Phase auf der einen Seite des Rotors so wie das Verbindungselement 14 aus 1 verlaufen (d.h. zwischen dem Rotorkörper 1 und der Ebene 2), auf der anderen Seite jedoch so wie das Verbindungselement 16 aus 1 verlaufen (d.h. jenseits der Ebene 3).In 1 only two interconnected winding elements of each of the three phases are shown. So belongs the winding element 4 and the corresponding winding element connected thereto, to a first phase. The connection of these winding elements is realized by means of a connecting element, which with 14 is designated. Accordingly, the winding element belongs 5 and that with 15 designated connecting element together with the winding element thus connected to a second phase and the winding element 6 and that with 16 designated connecting element together with the winding element thus connected to a third phase. In 1 are indicated by the dashed lines two perpendicular to the axis oriented planes, one of which with 2 and the other with 3 are designated, wherein the plane 2 closer to the rotor body 1 lies as the plane 3 , In this case, all the first phase belonging to connecting elements between the rotor body 1 and the plane 2 arranged and all belonging to the second phase connecting elements between the level 2 and the plane 3 arranged, and all belonging to the third phase connecting elements in the axial direction of the rotor body 1 from beyond the plane 3 arranged. It is clear from what has been said that the respective winding elements belonging to each phase also extend out of the slots correspondingly far in the axial direction, as in FIG 1 shown. It is clear that what is said also applies to the other winding head, ie there are two more planes oriented perpendicular to the axis and also there, the connecting elements are arranged accordingly. However, it is not mandatory that the connecting elements of each phase on both sides of the rotor be the same in relation to the respective planes. It could be, for example, that the connecting elements of the same phase on one side of the rotor as the connecting element 14 out 1 run (ie between the rotor body 1 and the plane 2 ), on the other hand, however, as the connecting element 16 out 1 run (ie beyond the plane 3 ).
In der Regel sind in einem gattungsgemäßen Rotor pro Nut zwei Wicklungselemente in Betrachtungsrichtung hintereinander angeordnet (vgl. z.B. die 3 der DE 10 2010 020 415 A1 ). Der Übersichtlichkeit halber zeigt die 1 nur in Richtung des Betrachters vorn liegenden Wicklungselemente. Hinten liegende Wicklungselemente würden jeweils weniger weit aus den Nuten herausragen, so dass die zugehörigen Verbindungselemente jeweils in dem freien Raum unterhalb den in 1 gezeigten Verbindungselementen derselben Phase zu liegen kämen. Wenn ein vorn liegendes Wicklungselement mit einem hinten liegenden Wicklungselement verbunden werden muss, was bei einer konzentrischen Wicklung der Fall ist, dann verläuft das entsprechende Wicklungselement nicht rein horizontal, wie die in 1 gezeigten Wicklungselemente, sondern verläuft zumindest auf einen Teil seiner Länge auch vertikal um die auf unterschiedlicher Höhe gelegenen Enden der Wicklungselemente verbinden zu können. In jedem Fall gilt für die Lage der Verbindungselemente für jede Phase das im vorherigen Abschnitt Gesagte.As a rule, two winding elements are arranged one behind the other in the direction of observation in a generic rotor per groove (cf., for example, FIGS 3 of the DE 10 2010 020 415 A1 ). For the sake of clarity, the 1 only in the direction of the viewer forward winding elements. Rear lying winding elements would each protrude less far from the grooves, so that the associated connecting elements each in the free space below the in 1 shown connecting elements of the same phase would come to lie. If a forward winding element must be connected to a rear winding element, which is the case with a concentric winding, then the corresponding winding element does not run purely horizontally, as in FIG 1 shown winding elements, but extends at least to a part of its length and vertically to connect at different levels located ends of the winding elements can. In any case, the position of the connecting elements for each phase is the same as in the previous section.
2 zeigt in sehr schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rotor im Bereich des Wickelkopfes in axialer Sicht. Der Rotorkörper ist dabei mit 1 bezeichnet. 2 zeigt insgesamt vier Wicklungselemente, welche alle zur selben Phase gehören und in den zugehörigen Nuten des Rotorkörpers 1 vorn angeordnet sind. Eines der Wicklungselemente ist dabei mit 4 bezeichnet. Jeweils 2 der Wicklungselemente sind durch Verbindungselemente verbunden, von denen eines mit 14 bezeichnet ist. Das Wicklungselement 14 umfasst drei Teilstücke, welche mit 14.1, 14.2 und 14.3 bezeichnet sind. Dabei erstrecken sich die Teilstücke 14.1 und 14.2 von den verbundenen Wicklungselementen aus radial nach innen, d.h. zur Rotorachse hin. Das Teilstück 14.3 verläuft zwischen den Teilstücken 14.1 und 14.2 und wird in der Folge als „verbindendes Teilstück“ bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Verlauf des verbindenden Teilstücks 14.3 auf einen Großteil seiner Ausdehnung tangential zur Rotorachse, d.h. entlang einem zur Rotorachse konzentrischen Kreis. In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Verlauf der Übergänge zwischen den Teilstücken 14.1 bzw. 14.2 und dem verbindenden Teilstück 14.3 bogenförmig gekrümmt. Diese Übergänge können genauso gut winklig ausgeführt sein. Das andere in 2 dargestellte Verbindungselement ist analog zum Verbindungselement 14 ausgeführt, wobei das tangential verlaufende verbindende Teilstück desselben radial weiter außen verläuft als das verbindende Teilstück 14.3. In jedem Fall verlaufen alle verbindenden Teilstücke 14.3 der Verbindungselemente innerhalb eines Zylindermantels, welcher alle Nutengründe des Rotorkörpers 1 tangiert. In 2 ist dieser Zylindermantel durch die gestrichelte Linie angedeutet, welche mit 7 bezeichnet ist. Es ist klar, dass dieser Zylindermantel konzentrisch zur Rotorachse ist. 2 shows a very schematic representation of a rotor according to the invention in the region of the winding head in an axial view. The rotor body is with 1 designated. 2 shows a total of four winding elements, which all belong to the same phase and in the associated grooves of the rotor body 1 are arranged in front. One of the winding elements is with 4 designated. Each 2 the winding elements are connected by connecting elements, one of which with 14 is designated. The winding element 14 includes three sections, which with 14.1 . 14.2 and 14.3 are designated. In this case, the sections extend 14.1 and 14.2 from the connected winding elements radially inward, ie towards the rotor axis. The section 14.3 runs between the sections 14.1 and 14.2 and is referred to in the following as a "connecting section". In the embodiment according to 2 is the course of the connecting section 14.3 to a large extent of its extension tangent to the rotor axis, ie along a concentric circle to the rotor axis. In the embodiment according to 2 is the course of the transitions between the sections 14.1 respectively. 14.2 and the connecting section 14.3 arcuately curved. These transitions can be just as well angled. The other in 2 illustrated connecting element is analogous to the connecting element 14 executed, wherein the tangentially extending connecting portion of the same radially outward than the connecting portion 14.3 , In any case, all connecting sections run 14.3 the connecting elements within a cylinder jacket, which all Nutengründe the rotor body 1 affected. In 2 this cylinder jacket is indicated by the dashed line, which with 7 is designated. It is clear that this cylinder jacket is concentric with the rotor axis.
3 zeigt mit analogen Bezeichnungen wie 2 eine weitere Ausführungsform des Verbindungselementes 14. Dabei folgt das verbindende Teilstück 14.3 auf einem Großteil seiner Ausdehnung einer Sekante, d.h. es ist dort gerade ausgebildet und verläuft daher nur auf einem sehr kurzen Abschnitt seiner Ausdehnung tangential zur Rotorachse. Im Prinzip sind auch Ausführungsformen des Verbindungselementes 14 denkbar, bei denen das verbindende Teilstück 14.3 überhaupt nicht tangential zur Rotorachse verläuft, z.B. wenn dasselbe zwar geradlinig ausgebildet ist, aber die Teilstücke 14.1 und 14.2 eine unterschiedliche Länge haben. Die geradlinige Ausbildung der verbindenden Teilstücke 14.3 gemäß 3 ist einfacher herzustellen, als die gebogenen Ausbildung derselben gemäß 2. 3 shows with analogous terms like 2 a further embodiment of the connecting element 14 , This is followed by the connecting section 14.3 on a large part of its extension of a secant, ie it is there formed straight and therefore runs only on a very short section of its extension tangential to the rotor axis. In principle, embodiments of the connecting element are also 14 conceivable in which the connecting section 14.3 not at all tangent to the rotor axis, for example, if the same is rectilinear, but the sections 14.1 and 14.2 have a different length. The rectilinear design of the connecting sections 14.3 according to 3 is easier to manufacture than the curved design of the same according to 2 ,
Dem Fachmann, instruiert durch die Offenbarung dieser Anmeldung, fällt es nicht schwer, einen erfindungsgemäßen vollständigen Rotor mit einer dreiphasigen konzentrischen Wicklung zu konstruieren. Der Wickelkopf eines solchen weist bereits als solcher eine höhere Festigkeit auf, als ein aus dem Stand der Technik bekannter Wickelkopf, da die radial innerhalb des Zylindermantels 7 verlaufenden Verbindungselemente 14 den Wickelkopf stabilisieren. Außerdem weist zumindest eine Phase des Wickelkopfes eine sehr kurze axiale Länge auf. In vielen Fällen genügte es also, nur die beiden Phasen des Wickelkopfes, welche eine höhere axiale Länge aufweisen, zusätzlich an einem Wickelkopfträger zu befestigen. Hierzu können alle aus dem Stand der Technik bekannten Befestigungsmethoden verwendet werden. Insbesondere bietet sich die Verwendung von radial verlaufenden Zugbolzen an. Die Zugbolzen können dabei vorteilhaft an zwei Stellen mit dem Wickelkopf verbunden werden: An den axial verlaufenden Bereichen der Wicklungselemente 2 und/oder an den tangential verlaufenden Bereichen der verbindenden Teilstücke 14.3 der Verbindungselemente 14. Es ist klar, dass es bei sehr schnell drehenden Maschinen notwendig sein kann, alle drei Phasen des Wickelkopfes an einem Wickelkopfträger zu befestigen.It is not difficult for a person skilled in the art, instructed by the disclosure of this application, to design a complete rotor according to the invention having a three-phase concentric winding. The winding head of such already has as such a higher strength, as a known from the prior art winding head, since the radially inside of the cylinder jacket 7 extending fasteners 14 Stabilize the winding head. In addition, at least one phase of the winding head has a very short axial length. In many cases, it was sufficient to attach only the two phases of the winding head, which have a higher axial length, in addition to a winding head carrier. For this purpose, all known from the prior art attachment methods can be used. In particular, the use of radially extending tie bolt offers. The tension bolts can be advantageously connected at two points with the winding head: At the axially extending portions of the winding elements 2 and / or at the tangentially extending portions of the connecting sections 14.3 the connecting elements 14 , It is clear that with very fast rotating machines it may be necessary to fasten all three phases of the winding head to a winding head carrier.