(51) Internationale Patentklassifikation 5 (11) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 91/10 H02K 1/27 AI (43) Internationales
Veröffentlichungsdatum : 11. Juli 1991 (11.07
(21) Internationales Aktenzeichen : PCT/DE90/00710 (81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), BE (e päisches Patent), CH (europäisches Patent), DE (e
(22) Internationales Anmeldedatum päisches Patent)*, DK (europäisches Patent), ES (e 13. September 1990 (13.09.90) päisches Patent), FR (europäisches Patent), GB (e päisches Patent), IT (europäisches Patent), JP, LU (e päisches Patent), NL (europäisches Patent), SE (euro
(30) Prioritätsdaten: sches Patent), US.
P 3943 237.8 22. Dezember 1989 (22.12.89) DE
Veröffentlicht
(71) Anmelder (für alle Bestimmungsstaaten ausser US): SIE¬ Mit internationalem Recherchenbericht.
MENS AKTIENGESELLSCHAFT [DE/DE]; Wittels- bacherplatz 2, D-8000 München 2 (DE).
(72) Erfinder; und
(75) Erfinder/Anmelder (nur für US) : KÜMMLEE, Horst [DE/ DE]; Am Krähenberg 16, D-1000 Berlin 27 (DE).
(74) Gemeinsamer Vertreter: SIEMENS AKTIENGESELL¬ SCHAFT; Postfach 22 16 34, D-8000 München 22 (DE).
(54) Title: PERMANENT-MAGNET-EXCITED ELECTRIC MACHINE, ESPECIALLY ONE WITH A HIGH ROTATIO SPEED
(54) Bezeichnung: PERMANENTMAGNETERREGTE ELEKTRISCHE MASCHINE, INSBESONDERE HOHER DRE ZAHL
(57) Abstract
In permanent-magnet-excited electric machines, the permanent magnets (5) arranged on the Stator body (3) of the rot and spacers (6) of non-magnetic material are held by a facing (7) of sturdy, fibre-reinforced plastic in the air gap (9). When t machine is running, this facing (7) expands to a greater extent than the Stator body (3) of the rotor (1), even if it is prestresse and hence imbalances may arise. According to the invention, in order to keep the arrangement centred, the outer surface (4) of t Stator body (3) is divided up over its entire axial length by recesses (11) and the radial elasticity of the stator body (3) is approx mately matched to that of the facing (7) with the permanent magnets (5) by Special structural measures. The recesses (11) for slots (12) lying radially on the outside and have radially inwardly rounded enlarged sections (14, 15) to prevent stresses. F smaller radii further rounded recesses (16) may also be provided. Such a rotor of a permanent-magnet-excited electric machine especially suitable for high rotation speeds.
(57) Zusammenfassung Bei permanentmagneterregten elektrischen Maschinen sind die auf dem Läuferballen (3) des Roto angeordneten Dauermagnete (5) und Füllstücke (6) aus unmagnetischem Material durch eine im Luftspalt (9) liegende Banda (7) aus hochfestem, faserverstärktem Kunststoff gehalten. Bei Betrieb der Maschine weitet sich diese Bandage (7), auch wenn s unter Vorspannung steht, stärker auf als der Läuferballen (3) des Rotors (1), so daß Unwuchten auftreten können. Zur Beibeh tung der Zentrierung ist gemäß der Erfindung die äußere Oberfläche (4) des Läuferballens (3) über der gesamten axialen Län durch Aussparungen (11) unterteilt und die Dehnsteifigkeit des Läuferballens (3) in radialer Richtung ist durch besondere ko struktive Maßnahmen angenähert der Steifigkeit von der Bandage (7) mit den Dauermagneten (5) angepaßt. Die Aussparung (11) bilden radial außenliegende Schlitze (12) und haben radial innen, zwecks Kerbfreiheit, abgerundete Erweiterungen (14, 1 Auf kleinerem Radius können noch zusätzliche abgerundete Aussparungen (16) vorgesehen sein. Ein derartig ausgebildeter R tor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine ist besonders für hochtourige Maschinen geeignet.
BENENNUNGEN VON "DE"
Bis auf weiteres hat jede Benennung von "DE" in einer internationalen Anmeldung, deren internationaler Anmeldetag vor dem 3. Oktober 1990 liegt, Wirkung im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland mit Ausnahme des Gebietes der früheren DDR.
LEDIGUCH ZUR INFORMATION
Code, die zur Identifizierung von PCT-Vertragsstaaten auf den -Kopfbögen der Schriften, die internationale Anmeldungen gemäss dem PCT veröffentlichen.
1 Permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere hoher Drehzahl
Die Erfindung bezieht sich auf eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere hoher Drehzahl, bei der die auf dem Läuferballen des Rotors angeordneten Dauermagnete und Füllstücke aus unmagnetischem Material durch eine im Luftspalt liegende Bandage aus hochfestem, faserverstärktem, insbesondere kohlenstoffverstärktem, Kunststoff gehalten sind.
Eine derartige permanentmagneterregte elektrische Maschine ist aus der DE-OS-32 24 904 bekannt. Da hochremanente Permanent¬ magnete wegen ihrer inneren Gefügestruktur nicht als tragendes Material verwendet werden können sondern empfindlich gegen Stoßbelastungen und Zugspannungen sind, werden die zur Erregung der bekannten elektrischen Maschine dienenden Dauermagnete und die Füllstücke aus unmagnetischem Material für die Pollücken auf dem Läuferballen des Rotors entweder mit einem Mantel aus hochfesten, unmagnetischen Metallen oder durch eine Bandage aus faserverstärktem, insbesondere kohlenstoffverstärktem Kunst¬ stoff (CFK) jeweils unter Vorspannung zusammengehalten. Bei der bekannten Maschine wird die Vorspannung des Mantels bzw. der Bandage entweder durch eine Verkeilung oder durch den Fadenzug beim Wickeln der Bandage hergestellt. Eine Verkeilung ist aufwendig und einer Erhöhung der Bandagendicke sind durch die elektrisch vorgeschriebenen Maximalabmessungen des Luftspaltes zwischen dem Ständer und dem Rotor der elektrischen Maschine, in dem sich die Bandage befindet, Grenzen gesetzt.
Deshalb lassen sich gerade bei hochtourigen permanentmagnet¬ erregten elektrischen Maschinen, deren Dauermagnete auf dem Läuferballen durch eine Kunststoffbandage gehalten sind, Un- wuchten durch unsymmetrische radiale Verlagerungen der Dauer¬ magnete bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten nicht mit Sicher- heit vermeiden, weil sich der Verband Kunststoffbandage-D.auer- magnete bei Fliehkraft stärker dehnt als der Läuferballen.
Dadurch entsteht ein Spalt zwischen den Dauermagneten und dem Läuferballen, der zu veränderlichen Unwuchten führen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Unwuchten zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung die äußere der Bandage zugewandte Oberfläche des Läuferballens durch mehrere Aussparungen, die sich über die gesamte axiale Länge erstrecken, in Umfangrichtung unterteilt und durch besondere konstruktive Maßnahmen ist die Dehnsteifig¬ keit der Teilbereiche des Läuferballens in radialer Richtung angenähert der Dehnsteifigkeit der Bandage mit den Dauermagne¬ ten angepaßt. Es wird also nicht, wie bisher üblich, die Vor- Spannung des die Dauermagnete festhaltenden Mantels bzw. der Bandage erhöht, sondern der Läuferballen wird an der äußeren Oberfläche durch Aussparungen in mehrere in Umfangsrichtung aufeinander folgende Teilbereiche unterteilt, so daß bei Aufweitung durch Fliehkraftbeanspruchungen dort keine Tangen- tialspannungen auftreten können. Die Teilbereiche sind jeweils durch konstruktive Maßnahmen in die Lage versetzt, der Aufwei¬ tung der Kunststoffbandage und der Dauermagnete elastisch spielfrei zu folgen, so daß die Zentrierung der Dauermagnete auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten beibehalten wird. Eine derartig ausgebildete Maschine kann daher mit Vorteil zum getriebelosen Antrieb hochtouriger Arbeitsmaschinen eingesetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Anpassung der in radialer Richtung wirkenden Dehnsteifigkeit der Teilbereiche des Läuferballens dadurch erreicht werden, daß der radial außenliegende Teil der Aussparungen jeweils einen Schlitz bildet, der auf der der Bandage zugewandten Oberfläche des Läuferballens einmündet, während der radial innenliegende Teil der Aussparung erweitert ist und eine abgerundete Kontur .mit ausreichend großem Kerbradius aufweist. Die äußere Oberfläche
3 des Läuferballens wird somit von den Schlitzen unterbrochen und die verbleibenden Stege zwischen den Aussparungen können den Beanspruchungen durch die Fliehkraft durch Biegung nachgeben und somit dem Verformungsweg der Bandage mit den Dauermagneten spielfrei folgen, ohne daß zu hohe Spannungsbeanspruchungen im Läuferballen entstehen. Durch die abgerundete Kontur der radial innenliegenden Erweiterungen der Aussparungen ist außerdem ein kerbspannungsarmer Übergang vom unterbrochenen Bereich zum ungeteilten Bereich des Läuferballens bewirkt.
Die Anzahl und die Form der Aussparungen und insbesondere die Länge und Form der Schlitze wird so ausgewählt, daß die Teilbe¬ reiche des Läuferballens geringfügig weicher sind als die Bandage, damit bei allen Betriebsdrehzahlen bzw. Umfangsge- schwindigkeiten immer ein Restanpreßdruck der Dauermagnete an den Läuferballen gewährleistet ist. Dabei empfiehlt es sich, daß die Schlitze in den Bereich der Pollücke einmünden.
Mit Vorteil können die Schlitze in der Radialebene eine gekrümmte Kurvenform aufweisen, die an der Einmündung in die Oberfläche des Läuferballens angenähert tangential gerichtet ist. Die zwischen den Schlitzen liegenden Teilbereiche des Läuferballens können dann speichenähnlich bei Fliehkraftbe¬ lastung durch leichtes Verdrehen gegenüber dem Innendurchmesser ein Aufgehen des Außendurchmessers des Läuferballens hervorru¬ fen, ohne daß dabei übermäßige Tangentialbeanspruchungen auftreten.
Es ist zweckmäßig, den Läuferballen bei derartig geformten Schlitzen als geblechten Körper auszuführen, der mithin aus Dynamoblechen zusammengesetzt ist, die gestanzt und/oder geschnitten sein können. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung der Aussparungen mit den komplizierten Formen der Erweiterung und der Schlitze (z. B. durch Erodierung) sondern ermöglicht auch eine einfache Aufnahme der Verformungsenergie bei der Fliehkraftbeanspruchung über eine Biegung über die hohe
Kante des Blechsteges zwischen den Schlitzen. Der radial innenliegende Teil des Bleches des Läuferballens ist somit nicht so hochbeansprucht wie der einer geschlossenen Scheibe.
Es empfiehlt sich außerdem, insbesondere bei radial in die äußere Oberfläche des Läuferballens einmündenden Schlitzen, zusätzlich zu den abgerundeten Erweiterungen der Aussparungen im Läuferballen weitere abgerundete Aussparungen vorzusehen, die jeweils auf einem kleineren Radius liegen als die Erweite- rungen der ersten Aussparungen und zu diesen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Auch diese zusätzlichen abgerundeten Aussparungen sind als Entlastungsöffnungen zur Kerbminderung und Senkung der Dehnsteifigkeit des Läuferballens wirksam. Haben diese zusätzlichen Aussparungen eine längliche Erstreckung in Umfangsrichtung, so entstehen sich in Umfangsrichtung er¬ streckende biegebalkenähnliche Federn, die in radialer Richtung besonders weich sind.
Die Anzahl der Aussparungen und deren Kurvenform wird so gewählt werden, daß sich möglichst eine gleiche Beanspruchung des Läuferballens in allen Querschnitten ergibt und daß die Führung des magnetischen Erregerfeldes nicht beeinträchtigt ist. Die Bleche des Läuferballens sollten im Idealfall unter der Fliehkraft genausoweit aufgehen wie die Bandage mit den Dauer- magneten. Auch die Schlitzbreiten über dem Radius können in Verbindung mit dem Vorspannen der Bandage so gewählt werden, daß bei Stillstand die Schlitze durch die Vorspannung der Bandage zusammengedrückt werden, so daß die Spannungsbean¬ spruchung bei der Nenndrehzahl reduziert ist.
Zur spielfreien Führung der Dauermagnete und Füllstücke am Läuferballen können als weitere alternative Ausführung der Erfindung in den zur äußeren Oberfläche hin offenen Aussparun¬ gen, welche die Teilbereiche des Läuferballens bilden, jedoch auch radial wirkende Federelemente angeordnet sein, die sich zwischen dem Läuferballen und den Dauermagneten bzw. Füll-
5 stücken abstützen. Durch die Federkraft wird dann die Entstehung von Unwuchten vermieden.
Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Figuren 1 bis 4 der Zeichnung jeweils schematisch dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils einen Teil eines Radialschnittes durch den gemäß der Erfindung ausgebilde¬ ten Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine hoher Drehzahl. Für gleiche Teile sind jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Der Rotor 1 einer permanentmagneterregten hochtourigen elektri¬ schen Maschine besteht aus einem auf der Welle 2 angeordneten Läuferballen 3 aus magnetischem Material, der zur Leitung des magnetischen Flusses dient. Der Läuferballen 3 kann massiv aus¬ gebildet sein, aus Stahl bestehen oder sich aus Dynamoblechen zusammensetzen.
Zur Erzeugung des magnetischen Flusses sind auf der äußeren Oberfläche 4 des Läuferballens 3 ringsektorförmige Dauer¬ magnete 5 angordnet, zwischen denen ebenfalls ringsektorförmige Füllstücke 6 aus unmagnetischem Material, wie z. B. Aluminium, angeordnet sind, welche die Pollücken bilden. Diese Dauermagne- te 5 und Füllstücke 6 werden auf der Oberfläche 4 des Läufer¬ ballens 3 durch eine Bandage 7 gehalten, die aus Kunststoff besteht, der mit Kohlenstoffasern verstärkt ist (CFK) und in ausgehärtetem Zustand eine hochfeste, unter Vorspannung stehen¬ de Bandage 7 bildet, welche die Dauermagnete 5 und Füllstücke 6 fest gegen die Oberfläche 4 des Läuferballens 3 preßt.
In Figur 1 ist der Bohrungsdurchmesser 8 des nicht dargestell¬ ten Ständers der Maschine durch einen Kreisbogen angedeutet. Die Bandage 7 liegt innerhalb des durch Pfeile angedeuteten elektrischen Luftspaltes 9 der Maschine, so daß infolge der durch die gewünschte Festigkeit und Vorspannung bedingten