DE1140638B

DE1140638B - Layers of large electrical machines made of individual sheet metal segments

Info

Publication number: DE1140638B
Application number: DEL40728A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst Bendziula
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1961-12-15
Filing date: 1961-12-15
Publication date: 1962-12-06

Description

Aus einzelnen Blechsegmenten geschichteter Läufer elektrischer Großmaschinen Das Blechpaket von Läufern elektrischer Großmaschinen wird, besonders bei solchen mit relativ großem Läuferdurchmesser, üblicherweise aus Blechseginenten geschichtet. Hierbei stoßen die in Umfangsrichtung weisenden Kanten (Stoßstellen) der Blechsegmente stumpf aneinander, so daß sich aus einer Anzahl derartig gestoßener Blechsegmente das ringförmige Blech ergibt. Dieses bildet für den Magnetfluß den Jochteil, während die Pole in beispielsweise schwalbenschwanzförmigen Nuten der Bleche angeordnet und mit diesen fest verbunden sind. Jedoch kann das ringförmige Blech auch mit Nuten zur Aufnahme der elektrischen Leiter, z.B. eines Volltrommelläufers, ausgebildet sein; hierbei entfallen dann die besonders ausgebildeten Pole.Laminated rotors of large electrical machines made from individual sheet metal segments The laminated core of rotors of large electrical machines is, especially in those with a relatively large rotor diameter, usually layered from sheet metal segments. The edges (joints) of the sheet metal segments pointing in the circumferential direction meet here butt to one another, so that a number of such butted sheet metal segments the annular sheet results. This forms the yoke part for the magnetic flux, while the poles are arranged in, for example, dovetail-shaped grooves in the metal sheets and are firmly connected to them. However, the annular sheet can also have grooves designed to accommodate the electrical conductors, e.g. a full drum rotor be; the specially trained poles are then omitted.

Um das so aus Einzelblechen (bzw. deren Blechsegmenten) gebildete Paket zusammenzuhalten, sind Bolzen vorgesehen, die durch entsprechende Löcher der Blechsegmente geführt werden. Die Stoßstellen der Blechsegmente hegen dabei zumeist in Achsrichtung nicht hintereinander, sondern werden von Blechlage zu Blechlage versetzt angeordnet; mehrere Blechlagen ergeben dabei eine Schicht und mehrere Schichten die Pakethöhe. Hierbei sind im allgemeinen die Schichten untereinander mit gleicher Lagenfolge ausgebildet, wobei unter Lagenfolge der Abstand eines Stoßes in einer Lage zum Stoß in der folgenden Lage usf. gemeint ist.To that formed from individual sheets (or their sheet metal segments) To hold the package together, bolts are provided through the corresponding holes in the Sheet metal segments are guided. The joints between the sheet metal segments are mostly there not one behind the other in the axial direction, but are made from sheet metal layer to sheet metal layer staggered; several sheet metal layers result in one layer and several layers the package height. Here, the layers are generally identical to one another Sequence of layers formed, with the spacing of a joint in a sequence of layers Position to the joint in the following position etc. is meant.

In bekannten Ausführungen sind dabei innerhalb eines Blechsegmentes mehrere Löcher vorgesehen, die in Umfangsrichtung hintereinander und zumeist mit gleichem Abstand zueinander in das jeweilige Blechsegment eingestanzt werden. Es ergibt sich daraus, daß die durch diese Löcher gesteckten Bolzen von den jeweiligen Stoßstellen innerhalb einesBlechsegmentes verschieden weit entfernt sind. Es ergibt sich fernerhin, daß der durch die gesamte Pakethöhe hindurchtretende Bolzen in jeder Blechlage eine andere Entfernung von der genannten Stoßstelle hat als in der folgenden Lage.In known designs, these are within a sheet metal segment several holes provided, one behind the other and mostly with one another in the circumferential direction be punched into the respective sheet metal segment at the same distance from one another. It results from the fact that the bolts inserted through these holes of the respective Joints within a sheet metal segment are at different distances. It results furthermore that the bolt passing through the entire package height in each Sheet metal layer has a different distance from the mentioned joint than in the following Location.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier gegenüber den bekannten Anordnungen eine optimale Lösung anzugeben, um so mit möglichst geringem Aufwand an Material, Arbeitskraft und -zeit eine maximale Haltekraft für das gesamte Blechpaket zu erreichen.The object of the invention is here compared to the known arrangements to specify an optimal solution in order to use the least possible amount of material, Manpower and time to achieve a maximum holding force for the entire laminated core.

Gegenstand der Erfindung ist ein aus einzelnen Blechsegmenten geschichteter Läufer elektrischer Großmaschinen, bei welchem mehrere Blechlagen der Blechsegmente eine Schicht, mehrere Schichten die Pakethöhe des Läufers ergeben, wobei die Blechsegmente mittels Bolzen, welche durch in jenen angeordnete Löcher gesteckt sind, untereinander verbunden sind, wobei fernerhin die Blechsegmente mit ihren Stoßstellen von Blechlage zu Blechlage zueinander um einen Lochabstand oder ein ganzzahliges Vielfaches davon versetzt sind und so eine Lagenfolge bilden (nämlich die fortlaufend gezählte Nummer der Blechlage, bei der die nächste ' also nur um einen Lochabstand versetzte Stoßstelle angeordnet ist). Erfindungsgemäß ist die Anzahl der Löcher pro Blechsegment gleich der Anzahl der Lagen pro Schicht, weiterhin gehorcht die Lagenfolge innerhalb einer Schicht dem Gesetz nachstehender Folgen: entweder für die Anzahl der Lagen n = gerade Zahl: 1,3 ... (n-1), n, (n-2) ... 2, oder für n = ungerade Zahl: 1,3 ... n, (n-1), (n-3) ... 2, wobei die jeweils nachfolgende Schicht mit der gleichen Lagenfolge ausgebildet ist wie die vorhergehende.The subject of the invention is a rotor of large electrical machines layered from individual sheet metal segments, in which several sheet metal layers of the sheet metal segments form one layer, several layers result in the package height of the rotor, the sheet metal segments being connected to one another by means of bolts which are inserted through holes arranged in them, whereby are offset henceforth the sheet metal segments with their joints of sheet metal layer to the sheet metal layer to each other by a pitch or an integral multiple thereof and such a situation episode form (namely, the continuously counted number of the sheet-metal layer, in which the is so arranged next 'by only a pitch offset joint) . According to the invention, the number of holes per sheet metal segment is equal to the number of layers per layer; the layer sequence within a layer also obeys the following law: either for the number of layers n = even number: 1.3 ... (n-1) , n, (n-2) ... 2, or for n = odd number: 1,3 ... n, (n-1), (n-3) ... 2, with the following layer with the same sequence of layers is formed as the previous one.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In ihr zeigt Fig. 1 eine bekannte Ausführung eines Ausschnittes von aus Blechsegmenten geschichteten Läufern elektrischer Maschinen; . The invention is explained with reference to the drawing. 1 shows a known embodiment of a section of rotors of electrical machines layered from sheet metal segments; .

Fig. 2 bis 6 zeigen die Lastangriffspunkte an vier Bolzen der Fig. 1; Fig. 7 bis 12 zeigen dasselbe wie die Fig. 1 bis 6, jedoch bei einer Ausführung nach der Erfindung; Fig. 13 erläutert dann noch eine Weiterbildung der Erfindung.FIGS. 2 to 6 show the load application points on four bolts of FIG. 1; 7 to 12 show the same as FIGS. 1 to 6, but in an embodiment according to the invention; 13 then explains a further development of the invention.

Bei den Betrachtungen zu der Zeichnung wird davon ausgegangen, daß einerseits die aus den Reibungskräften resultierenden Haltekräfte nicht exakt unmittelbar und auch wesentlich geringer sind als die von den Bolzen ausgehenden. Sie werden daher vernachlässigt; man darf dieses tun, da man sich dabei auf der sicheren Seite befindet. Andererseits wird davon ausgegangen, daß die Richtung der Hauptbeanspruchung des Blechpaketes bzw. der darin angeordneten Bolzen, besonders wenn es sich um Läufer elektrischer Maschinen mit Durchmessern von mehreren Metern handelt, in Umfangsrichtung weist; denn bei den dabei auftretenden radialen Blechdicken von nur etwa 30 cm sind die radial nach außen gerichteten und so auf die Bolzen wirkenden Kräfte außerordentlich gering.When considering the drawing, it is assumed that, on the one hand, the holding forces resulting from the frictional forces are not exactly direct and also significantly lower than those emanating from the bolts. They are therefore neglected; you can do this because you are on the safe side. On the other hand, it is assumed that the direction of the main stress on the laminated core or the bolts arranged therein, especially when it comes to rotors of electrical machines with diameters of several meters, points in the circumferential direction; because with the radial sheet thicknesses of only about 30 cm that occur, the forces directed radially outwards and thus acting on the bolts are extremely small.

Wickelt man nun den Läuferumfang bzw. das diesen bildende Blechpaket ab, so ergibt sich als Beispiel einer bekannten Ausführung die Fig. 1 im achsparallelen Schnitt. Hierbei ist nur eine Schicht aus fünf Blechlagen 1 bis 5 dargestellt; die weiteren Schichten befinden sich also unterhalb der Fig. 1 und sind aus Gründen der übersichtlichkeit. weggelassen. Jede Blechlage ist aus einer Anzahl von Blechsegmenten aufgebaut, die an den Stoßstellen 6 stumpf aneinanderstoßen. Diese Stoßstellen 6 sind von Blechlage zu Blechlage um einen Lochabstand 7 zueinander versetzt und ergeben so die Lagenfolge. Die Bleche bzw. Blechsegmente werden durch die Bolzen 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 untereinander zusammengehalten und fest mit dem (nicht gezeichneten) Läufer verbunden.If one now unwinds the rotor circumference or the laminated core forming it, FIG. 1 results as an example of a known embodiment in an axially parallel section. Here, only one layer of five sheet metal layers 1 to 5 is shown; the other layers are therefore located below FIG. 1 and are for the sake of clarity. omitted. Each sheet metal layer is made up of a number of sheet metal segments that butt against one another at the joints 6. These joints 6 are offset from one another by a hole spacing 7 from sheet metal layer to sheet metal layer and thus result in the sequence of layers. The sheets or sheet metal segments are held together by the bolts 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 and firmly connected to the rotor (not shown).

Betrachtet man die Bolzen 9 bis 13 und die an diese angreifenden Kräfte, so erhält man die Fig. 2 bis 6. Am Bolzen 9, der in der Fig. 2 dargestellt ist greifen das oberste und das unmittelbar darunterliegende Blechsegment in den Pfeilrichtungen 17, 18 an, und zwar nur von diesen Lagen ausgehend definierte da hier in unmittelbarer Nachbarschaft des Bolzens 9 Stoßstellen 6 angeordnet sind. Die unteren drei Blechlagen würden wohl im Idealfalle ebenfalls eine Kraft auf den Bolzen ausüben können, die theoretisch den eingezeichneten Kräften 17, 18 der Fig. 2 in ihrem skalaren Wert jeweils identisch ist. Es ist aber bei dieser Betrachtung in Zusammenhang mit der Fig. 1 leicht ersichtlich, daß schon bei geringsten Fertigungsungenauigkeiten Verschiebungen in der theoretischen Kraftverteilung auftreten müssen und daß aus Sicherheitsgründen jeweils nur die Kräfte angesetzt werden können, die in Fig. 2 dargestellt sind. Für das Moment ergibt sich dadurch, wenn man die Kräfte 17, 18 jeweils mit P bezeichnet und den Hebelarm, d. h. den Abstand zwischen den beiden Angriffspunkten der Kräfte 17, 18, mit b, bei Rechtsdrehsinn ein Wert von M = +P - b. Dasselbe ergibt sich für die Fig. 3 bis 5, bei welchen die Kräfte 19 bis 24 mit ihren jeweiligen Angriffspunkten an den Bolzen 10 bis 12 dargestellt sind. Auch in diesen Fällen ist also jeweils M = +P - b. Fig. 6 zeigt nun den Kraftangriff 25, 26 am Bolzen 13. lEerbei ergibt sich für das Moment M = -P - 4b. Considering the bolt 9 to 13 and the engaging these forces yields the Fig. 2 to 6. On the pin 9, which is shown in FIG. 2 engage the top and the immediately underlying sheet metal segment in the direction of arrows 17, 18 on, namely only defined starting from these positions since 9 butt joints 6 are arranged here in the immediate vicinity of the bolt. In the ideal case, the lower three sheet metal layers would probably also be able to exert a force on the bolt that is theoretically identical in its scalar value to the forces 17, 18 shown in FIG. 2. However, when considering this in connection with FIG. 1, it is easy to see that even with the slightest manufacturing inaccuracies, shifts in the theoretical force distribution must occur and that, for safety reasons, only the forces shown in FIG. 2 can be applied. For the moment, if one denotes the forces 17, 18 in each case with P and the lever arm, i. H. the distance between the two points of application of the forces 17, 18, with b, with clockwise rotation a value of M = + P - b. The same applies to FIGS. 3 to 5, in which the forces 19 to 24 are shown with their respective points of application on the bolts 10 to 12. In these cases, too, M = + P - b. Fig. 6 now shows the force application 25, 26 on the bolt 13. lEerbei results for the moment M = -P - 4b.

Daraus folgt, daß bei sonst gleicher Bolzendicke und gleichen Beanspruchungsrichtungen innerhalb der jeweiligen Blechsegmente im dargestellten bekannten Fall auf vier Bolzen das gleiche Moment einwirkt, während der fünfte Bolzen ein vierfaches Moment aufzunehmen hat. Das gleiche würde sich bei näherer Betrachtung für die weiteren Bolzen ergeben. Der hieraus zu ziehende Schluß ist, daß bei einer Lagenfolge 1, 2, 3, 4, 5, 1 ... für vier Bolzen ein relativ niedriges Einspannmoment anzusetzen ist, während sich für den fünften Bolzen eine Vervierfachung des Einspannmornentes ergibt.It follows that with otherwise the same bolt thickness and the same directions of stress within the respective sheet metal segments in the known case shown, the same moment acts on four bolts, while the fifth bolt has to absorb four times the moment. On closer inspection, the same would result for the other bolts. The conclusion to be drawn from this is that with a sequence of layers 1, 2, 3, 4, 5, 1 ... a relatively low clamping torque is to be set for four bolts, while the clamping torque is quadrupled for the fifth bolt.

Wird die Anzahl der Blechen von fünf auf beispielsweise acht erhöht, so würde sich bei zu Fig. 1 analoger Anordnung für sieben Bolzen jeweils das gleiche Moment ergeben, während am achten Bolzen ein um 8-1=7mal erhöhtes Moment angreift. Ganz allgemein ist also zu sagen, daß bei einer der Fig. 1 äquivalenten Anordnung das auf den letzten Bolzen wirkende Moment jeweils (n - 1)-fach größer ist als das auf die übrigen Bolzen wirkende. Ähnlich ungünstige Verhältnisse ergeben sich bei allen bekannten anderen Lagenfolgen. Es müssen also alle Bolzen so dimensioniert sein, daß sie das (n-1)-fache Moment aufzunehmen in der Lage sind, bezogen auf das Minimalmoment.If the number of metal sheets is increased from five to eight, for example , the same torque would result in an arrangement analogous to FIG. 1 for seven bolts, while a torque increased by 8-1 = 7 times acts on the eighth bolt. In general, it can be said that in an arrangement equivalent to that of FIG. 1, the moment acting on the last bolt is in each case (n − 1) times greater than that acting on the other bolts. Similar unfavorable conditions arise with all known other sequences of positions. So all bolts must be dimensioned in such a way that they are able to absorb the (n-1) times the torque, based on the minimum torque.

In Fig. 7 wird nun an fünf Blechlagen eine Lagenfolge nach der Erfindung dargestellt, bei welcher wohl auf jeden einzelnen Bolzen höchstens das doppelte Moment einwirkt wie bei der bekannten Anordnung nach Fig. 1, aber auch nicht mehr. Die Vervierfachung des Momentes beirn letzten Bolzen (nach Fig. 1) fällt also bei einer Anordnung nach der Erfindung weg. Um das im einzelnen zu veranschauhchen, sind die Fig. 8 bis 12 analog zu den Fig. 2 bis 5 dargestellt und, ebenfalls wie Fig. 7 zu Fig. 1, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie leicht nachzuprüfen ist, gilt für jede andere Anzahl von Blechlagen, daß bei geeigneter Wahl der Lagenfolge nie ein höheres Moment als das Doppelte auf den Bolzen einwirkt.In FIG. 7 , a sequence of layers according to the invention is shown on five sheet metal layers, in which no more than twice the moment acts on each individual bolt as in the known arrangement according to FIG. 1, but also no more. The quadrupling of the moment at the last bolt (according to FIG. 1) is therefore omitted in an arrangement according to the invention. In order to illustrate this in detail, FIGS. 8 to 12 are shown analogously to FIGS. 2 to 5 and, like FIG. 7 to FIG. 1, are provided with the same reference numerals. It is easy to check that for any other number of sheet metal layers, given a suitable choice of the sequence of layers, a moment higher than twice that acts on the bolt.

Als allgemeines Gesetz ergibt sich daraus, daß die Lagenfolge n innerhalb einer Schicht nach nachstehenden Folgen aufzubauen ist: entweder für die Anzahl der Lagen n = gerade Zahl: 1,3,5 ... (n-1), n, (n-2), (n-4) ... 2, oder für n = ungerade Zahl: 1,3,5 ... n, (n - 1), (n - 3) ... 2.As a general law it follows that the sequence of layers n within a layer must be built up as follows: either for the number of layers n = even number: 1,3,5 ... (n-1), n, (n- 2), (n-4) ... 2, or for n = odd number: 1,3,5 ... n, (n - 1), (n - 3) ... 2.

Eine Anordnung der Lagenfolge nach der Erfindung benötigt also lediglich eine gegenüber bekannten Anordnungen neue Schichtungsart (Schichtungsfolge) der einzelnen Blechseginente innerhalb einer jeden Schicht, ohne daß dabei der Blechschnitt geändert werden muß. Die höchstmöglichen auf einen Bolzen auftreffenden Momente sind nunmehrwesentlich vermindert: Bei bekannten Anordnungen sind sie M = P - b - (n- 1), also, um beim Beispiel nach der Erfindung zu bleiben, M=P - b - 4; tatsächlich ist aber die Anzahl, der Blechsegmentlagen pro Schicht im allgemeinen wesentlich höher und dadurch auch der Wert für (n-1). Bei einer Anordnung nach der Erfindung ist das höchstauftretende Moment M=P- b - [n-(n-2)] =P- b-2, also wesentlich geringer. Die Folge ist daß man die bisher relativ dicken Bolzen und dementsprechend großen Löcher in den Blechsegmenten entsprechend verringern kann, ohne daß dadurch die Festigkeitseigenschaften der gesamten Anordnung gemindert werden. Auch die magnetischen Eigenschaften werden gebessert, da die Löcher in den Blechsegmenten je nach dem Wert ihres Durchmessers ein mehr oder weniger großes Hindernis für den Magnetfluß bilden.An arrangement of the layer sequence according to the invention thus only requires a new type of layering (layering sequence) of the individual sheet metal segments within each layer compared to known arrangements, without the sheet metal section having to be changed. The maximum possible moments that strike a bolt are now substantially reduced: In known arrangements they are M = P - b - (n - 1), that is, to stay with the example according to the invention, M = P - b - 4; in fact, however, the number of sheet metal segment layers per layer is generally much higher and therefore also the value for (n-1). In an arrangement according to the invention, the highest occurring moment M = P- b - [n- (n-2)] = P- b-2, that is to say is significantly lower. The result is that the previously relatively thick bolts and correspondingly large holes in the sheet metal segments can be reduced accordingly without the strength properties of the entire arrangement being reduced as a result. The magnetic properties are also improved, since the holes in the sheet metal segments, depending on the value of their diameter, form a more or less large obstacle to the magnetic flux.

Der gleiche Erfolg wird erzielt, wenn man - in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung - die Löcher in an sich bekannter Weise durch Lochgruppen ersetzt, wie beispielsweise in Fig. 13 dargestellt. Diese zeigt eine Draufsicht auf ein Blechsegment, bei welchem die Löcher 27 jeweils zu einer Lochgruppe 28 zusammengefaßt sind. Diese Anordnung wird besonders vorteilhaft bei Wasserkraftgeneratoren mit senkrechter Welle angewandt, wo große Kräfte zu beherrschen und daher eine große Zahl von Bolzen und Löchern anzuordnen sind.The same success is achieved if - in a further development of the subject matter of the invention - the holes are replaced by groups of holes in a manner known per se, as shown in FIG. 13 , for example. This shows a plan view of a sheet metal segment in which the holes 27 are each combined to form a group of holes 28 . This arrangement is used particularly advantageously in hydropower generators with a vertical shaft, where large forces must be controlled and therefore a large number of bolts and holes must be arranged.

Claims

PATENT CLAIMS 1. From individual sheet metal segments layered rotor of large electrical machines, in which several sheet metal layers of the sheet metal segments form one layer, several layers result in the package height of the rotor, the sheet metal segments being firmly connected to one another by means of bolts which are inserted through holes arranged in them, whereby Furthermore, the sheet metal segments with their joints from sheet metal layer to sheet metal layer are offset from one another by a hole spacing or an integral multiple thereof and thus form a layer sequence (namely the consecutively counted number of the sheet metal layer at which the next joint point is arranged, i.e. only offset by one hole distance, characterized in that the number of holes per sheet metal segment is equal to the number of layers per layer, that furthermore the layer sequence within a layer obeys the law of the following consequences: either for the number of layers n = even number: 1.3 ... ( n-1), n, (n-2) ... 2, or for n # odd Za hl: 1,3 ... n, (n - 1), (n - 3) ... 2, and the subsequent layer is formed with the same sequence of layers as the previous one. -

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the holes are replaced by groups of holes.