CN108604839A - 用于旋转电机器的转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于旋转电机器(1)、特别是同步电机(27)的转子(3)，其具有轴(5)和至少一个极靴(7)，其中轴(5)具有第一接触面(8)，并且其中至少一个极靴(7)具有第二接触面(9)。为了以少量消耗和低成本实现较高的可靠性而提出：第一接触面(8)具有第一轮廓(28)并且第二接触面(9)具有与第一轮廓(28)相对应的第二轮廓(29)，其中，第一接触面(8)的第一轮廓(28)形状配合地放置在第二接触面(9)的相对应的第二轮廓(29)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于旋转电机器、特别是同步电机的转子，其具有轴和至少一个极靴，其中轴具有第一接触面，并且其中至少一个极靴具有第二接触面。
此外，本发明涉及一种具有这种转子的旋转电机器，特别是同步电机。
本发明还涉及一种制造这种用于旋转电机器，特别是同步电机的转子的方法。
背景技术
这样的转子特别用于具有安有极靴的直接启动的同步凸极电机。安放的极靴主要用于功率至少为1兆瓦的大型驱动器。在极靴与在其上安放有极靴的轴之间形成接合部。在同步凸极电机的异步启动中，在安放的极靴中感应出涡电流，其中特别是极靴的表面被涡流强烈加热。在热透过程中，极靴会膨胀。在接合部中由此得出的横向力尤其摩擦配合地保持。如果克服了静摩擦，则在极靴与轴之间的接合部中发生热致相对移动。这种相对移动大部分是突然且任意的。由此引发的质量转移(Masseverschiebung)对转子的平衡状态并进而对振动特性产生负面影响。
极靴优选通过螺栓与轴连接。因此，极靴与轴之间的接合部中的静摩擦力由预应力和摩擦系数决定。特别是摩擦系数可以通过对摩擦对的材料特性和表面特性进行有针对性的修改来进行影响。
从专利文件US 9，077，223 B2中已知一种具有凸极转动体的旋转电机器，该凸极转动体具有极体和极靴。极体由轴一体地形成。每个极靴由多个螺栓固定连接在所属的极体上。当极靴利用螺栓连接到相应极体上时，在挤压面的区域中出现锥形挤压区域。
每个极靴或其相应的极体具有至少一个凸起或凹部，以限定挤压面的区域中的圆锥形挤压区域。
由公开文献DE 44 15 224 A1公开了一种电机，该电机具有带有多个极的极轮，其中，为每个极提供了与磁轭一体连接的极杆，其具有围绕该极杆的励磁绕组以及在极杆的端部通过螺栓固定的极靴装置。在此，应该更加有效地设计拦截在极轮旋转过程中出现的、作用于极靴装置和励磁绕组上的离心力。为此目的，极靴装置包括拧到极杆上的保持板和专门用螺栓与保持板拧紧的极靴。通过励磁绕组产生的离心力因此被保持板拦截。
公开文献US 2014/0333174A1描述了一种旋转电机器，其具有凸极转动体，该凸极转动体具有极体。极体由轴一体形成。极靴形成极头。每个极靴由多个螺栓固定连接在所属的极体上。每个极靴或其相应的极体具有至少一个凸起或凹部，以限定挤压区域中的圆锥形挤压区域。当极靴利用螺栓连接到相应极体上时，在挤压区域中出现锥形挤压区域。
公开文献US 3，089，049 A描述了一种具有极体和极靴的凸极转动体，其中，极体通过整体结构可拆卸地与极靴连接。
公开的专利申请EP 2 876 783 A1描述了一种凸极转动体，其具有至少两个径向向外指向的极杆，每个极杆都具有一个极靴，其中极靴在圆周方向上比相应的极杆更宽。相应的极靴具有径向向内指向的变细的腹板，其中，相应的极杆在其径向外表面上具有径向向内逐渐变细的并且与相应的腹板匹配的凹槽，其中，相应的极靴和相应的极杆机械可拆卸地连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于旋转电机器的转子，与现有技术相比，该转子具有较高的可靠性并且制造容易且便宜。
该目的通过一种用于旋转电机器，尤其是同步电机的转子实现，具有轴和至少一个极靴，其中该轴具有第一接触面，其中该至少一个极靴具有第二接触面，其中第一接触面具有第一轮廓并且第二接触面具有与第一轮廓相对应的第二轮廓，其中第一接触面的第一轮廓形状配合地放置在第二接触面的相对应的第二轮廓上，其中，通过该轮廓至少在轴向方向上存在相应的接触面的高度变化，其中，相应的轮廓具有齿条和/或齿条槽，或者其中相应的轮廓具有截头棱锥体和/或截头棱锥形凹槽。
此外，该目的通过一种具有这种类型的转子的旋转电机器、特别是同步电机实现。
此外，该目的通过用于制造这种用于旋转电机器、特别是同步电机的转子的方法来实现。
以下关于转子阐述的优点和优选实施情况能类似地应用于旋转电机器和制造方法。
这种类型的轮廓(该轮廓也称为自由轮廓)相关于参考平面尤其具有凸起和凹陷。与第一轮廓相对应的第二轮廓对应于与第一轮廓匹配的配对件。通过接触两个相互匹配的轮廓，例如在接触面之间产生齿形。这种自由轮廓提供的优点是：在极靴与轴之间的连接可以自由确定尺寸。由于两个相互匹配的轮廓，特别是至少在横向力方向上实现了形状配合的力传递。通过这种可靠的形状配合的连接，避免了在极靴与轴之间的热致相对移动。因此，获得了更稳定的振动特性，这使得可靠性得到改进，特别是在转子的异步启动操作中实现。另外，自由轮廓不需要额外的紧固件。因此，转子制造简单并且便宜。
通过这些轮廓，至少在轴向方向上存在相应的接触面的高度变化。高度变化尤其处于毫米至厘米范围内。通过至少在轴向方向上的这种高度变化，在轴向方向上实现形状配合的力传递，由此特别是在异步起动的运行期间至少在轴向方向上避免极靴与轴之间的热致相对移动。
相应的轮廓具有齿条和/或齿条槽、也或者截头棱锥体和/或截头棱锥体凹槽。
齿条特别是具有两个倾斜侧面和位于两个倾斜侧面之间的平坦齿表面的凸起。齿条槽是相对于齿条的反转配对件。具有齿条和齿条槽的轮廓已被证明是特别稳固的。
截头棱锥体尤其是具有四个倾斜侧面和位于四个倾斜侧面之间的平面截头棱锥表面的凸起。截头棱锥形凹槽是相对于截头棱锥体的反转配对件。通过这样的轮廓，在轴向方向和切线方向上实现形状配合的力传递。
在一个优选的实施情况中，轮廓基本上在相应的接触面的整个轴向长度上延伸。一个接合部位于轴的第一接触面与放置在轴上的极靴的第二接触面之间。力传递可以至少在轴向方向上平面地基本上在整个接合部上实现。通过这种类型的平坦的轮廓优化了形状配合的力传递。
轮廓优选具有倾斜侧面，其中第一接触面与第二接触面在倾斜侧面的区域中接触。通过该倾斜侧面，例如通过齿部实现了轮廓的无间隙接触，而不需要复杂的接合过程，诸如夹紧、压配合或通用部件处理。通过具有倾斜侧面的轮廓，以较低的生产成本实现了无间隙的力传递。
在另一有利的实施情况中，第一轮廓的倾斜侧面基本上平行于第二轮廓的倾斜侧面，并且第一接触面在倾斜侧面的区域中平坦地放置在第二接触面上。以这种方式，第一接触面与第二接触面之间的支承面被最大化。
在一个有利的实施情况中，在第一接触面与第二接触面之间部分地形成空腔。在异步启动中，极靴特别地被加热并由于热而膨胀。由此，材料可以在空腔中膨胀，并且即使在高温下也能确保形状配合。
优选地，相应的轮廓至少在轴向方向上基本冗余地设计。冗余设计的轮廓的凸起和凹陷尤其具有相同的形状、相同的尺寸和/或彼此相同的距离。这使得横向力均匀地在表面上传递。另外，冗余设计的轮廓能够成本低廉并且容易地制造。
更有效地，至少部分第一接触面和/或第二接触面具有大于25μm的表面粗糙度。这种表面粗糙度可以通过例如粗糙喷砂(Raustrahlen)来实现。通过提高表面粗糙度来增加接触面之间的静摩擦系数，由此附加地使得相对移动变困难。
更有效地，齿条在横截面中基本上具有特别是等边的梯形的形状。根据经验，这种轮廓被证明是特别有利的。
附图说明
下面将参考附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
图中：
图1示出了旋转电机器的横截面，
图2示出了转子的第一实施方式的透视图，
图3示出了转子在具有轮廓的第一实施方式的极靴区域中的放大侧视图，
图4示出了转子在根据图3的极靴区域中的放大纵剖面，
图5示出了转子在具有轮廓的第二实施方式的极靴区域中的放大的纵截面，
图6示出了转子在具有第三实施方式的轮廓的极靴的区域中的放大的纵截面，
图7示出了转子在具有轮廓的第四实施方式的极靴的区域中的放大的纵截面，
图8示出了转子在具有轮廓的第五实施方式的极靴区域中的放大的纵截面，
图9示出了转子在具有轮廓的第六实施方式的极靴区域中的放大纵截面，
图10示出了转子在具有轮廓的第七实施方式的极靴区域中的放大透视图，
图11示出了具有连接件的转子的纵截面。
相同的附图标记在各个附图中具有相同的含义。
具体实施方式
图1示出了旋转电机器1的横截面。旋转电机器1设计为直接启动同步电机27，并且具有能够绕旋转轴线4旋转的转子3和围绕定子2的转子3，其中气隙6处于转子3与定子2之间。同步电机27能够以至少1兆瓦的功率运行。为了清楚起见，未示出定子2和转子3的线圈。
直接启动同步电机27的转子3具有带有示例性的四个正交布置的凸极5a的轴5，其中凸极5配备有极靴7。轴5和极靴7由设计为实心材料的软磁钢构成，特别是由调质钢构成。借助设计为螺栓的连接件19(参见图11)将极靴7拧到轴5上。为了清楚起见，螺栓16未在图1中示出。
轴5的每个凸极5a都具有第一接触面8，并且每个极靴7都具有第二接触面9。轴5经由第一接触面8与极靴7的第二接触面9接触。第一接触面8具有第一轮廓28并且第二接触面9具有与第一轮廓28相对应的第二轮廓29(该轮廓还被称为自由轮廓)。第一接触面8与第二接触面9通过第一轮廓28和相对应的第二轮廓29接触，使得在第一接触面8与第二接触面9之间存在形状配合的连接。在此，轮廓28，29的高度变化分别处于在毫米范围到厘米范围内。
通过两个彼此匹配自由轮廓28，29，实现了在横向力方向上的形状配合的力传递。通过这种类型的形状配合的连接，避免了在极靴7与轴5之间的热致相对移动，其特别是在异步启动期间通过在极靴7中感应出的涡电流引起。自由轮廓28，29可用作对于摩擦配合的力传递的替代或补充。对于这样的摩擦配合的力传递来说，至少部分的第一接触面8和/或第二接触面9具有大于25μm的表面粗糙度。例如通过粗糙喷砂可以实现这种类型的表面粗糙度。
这种类型的转子3的轴和极靴7的接触面8，9的轮廓28，29的各种实施方式在下面的附图中示出，并且将在下面更详细地描述和解释。
图2示出了转子3的第一实施方式的透视图。转子3可绕旋转轴线4旋转，其中旋转轴线4限定了轴向方向A、径向方向R和切向方向T。转子3具有驱动侧AS和非驱动侧BS。如图1所示，轴5的第一接触面8与极靴7的第二接触面9通过第一轮廓28和相对应的第二轮廓29形状配合地连接。
通过相应的接触面8，9的高度变化而设计的轮廓28，29在接触面8，9的整个轴向长度上延伸并且冗余地设计。在此将冗余的实施情况理解为，轮廓28，29的凸起和凹陷具有相同的形状、相同的高度、宽度和彼此相同的距离。转子3的另一实施情况对应于图1的实施情况。
图3示出了转子3在具有轮廓28，29的第一实施方式的极靴7的区域中的放大侧视图。轮廓28，29在接触面8，9的整个轴向长度上延伸，并且通过齿条20和与齿条20相对应的齿条槽21设计而成，其中齿条20和齿条槽21沿切线方向T延伸。齿条20示例性地位于轴5的第一接触面8上，并且相对应的齿条槽21位于极靴7的第二接触面9上。
齿条20是关于具有梯形横截面的第二接触面9的第一参考平面24的凸起10，其特别是相同类型地设计，并且优选地在第一接触面8上在轴向方向A上等距离地布置。齿条槽21是关于第一接触面8的第二参考平面25的凹槽11，其匹配于齿条槽20地布置在第二接触面9上。齿条20相对于相应的参考平面24，25具有恒定的高度，并且齿条槽21在切线方向T上具有恒定的深度。齿条20和与其相对应的齿条槽21的尺寸及其轴向距离取决于横向力负荷和由此得出的表面压力。齿条20的高度和齿条槽21的深度关于其参考平面24，25均处于毫米范围至厘米范围。转子3的其余实施情况对应于图2的实施情况。
图4示出了转子3在根据图3的极靴7的区域中的放大的纵剖面图。在图3中描述的齿条20和齿条槽21在图4中详细示出，其中齿条20示意性地位于极靴7的第二接触面9上并且相对应的齿条槽21位于轴5的第一接触面8上。齿条20具有对应于等边梯形的横截面，其中每个齿条20都具有两个侧面14和位于两个侧面14之间的齿表面12。相对应的齿条槽21关于第一参考平面24形成凹槽11，其横截面同样对应于等边梯形。每个齿条槽21都具有两个侧面14和位于两个侧面14之间的凹槽表面13。
齿条20的倾斜侧面14平行于所属的齿条槽21的倾斜侧面14，其中在倾斜侧面14的区域中的第一接触面8基本上平坦地放置在第二接触面9上。
齿条20和齿条槽21的侧面14分别包括第一角17和第二角18。为了避免极靴7与轴5之间的相对移动，轮廓28，29之间的接触无间隙地设计。因此，角17，18在10°至50°的范围内是有利的。在侧面14垂直于横向力方向直立时，需要更复杂的接合过程来确保无间隙。如果齿条20和齿条槽21的横截面对应于等边梯形，那么第一角17和第二角18相等。在角同样大小时，形状配合的横向力传递在驱动侧AS的方向上和在非驱动侧BS的方向上相同地进行。
在第一接触面8与第二接触面9之间，空腔15位于齿表面12和凹槽表面13的区域中。如果在异步启动时尤其是极靴7被加热并由此导致膨胀时，所使用的软磁钢可以在腔体15中膨胀。转子3的其余实施情况对应于图2和图3的实施情况。
图5示出了转子3在具有轮廓28，29的第二实施方式的极靴7的区域中的放大的纵截面。与图4相比，凹部11倒圆地设计，由此与图4相比，在接触面8，9之间形成更大的空腔15。自由轮廓28，29的凸起10和凹部11的其他设计是可以考虑的并且属于本发明的内容，在这些设计中，在倾斜侧面14的区域中的第一接触面8基本上平坦地放置在第二接触面9上。转子3的其余实施情况对应于图4的实施情况。
图6示出了转子3在具有轮廓28，29的第三实施方式的极靴7的区域中的放大的纵截面。相较于图4，设计为凸起10的齿条20以及与该凸起10相对应的设计为齿条槽21的凹部11不仅处于轴5的第一接触面8上而且处于极靴7的第二接触面9上。例如，凸起10和凹部11交替地布置在第一接触面8和第二接触面9上。自由轮廓28，29的凸起10和凹部11的其他设计以及其布置的不同变体是可以考虑的并且属于本发明的内容，在这些设计中，第一接触面8在倾斜侧面14的区域中基本上平坦地放置在第二接触面9上。转子3的其余实施情况对应于图4的实施情况。
图7示出了转子3在具有轮廓28，29的第四实施方式的极靴7的区域中的放大的纵截面，其中轮廓28，29仅在相应的接触面8，9的轴向长度的一部分上延伸。设计为齿条20的凸起10和与凸起10相对应的设计为齿条槽21的凹部11基本上布置在相应的接触面8，9的轴向端部处。转子3的其余实施情况对应于图4的实施情况。
图8示出了转子3在具有轮廓28，29的第五实施方式的极靴7的区域中的放大的纵截面，其中轮廓28，29类似于图7那样仅在相应的接触面8，9的轴向长度的一部分上延伸。设计为齿条20的凸起10和与凸起10相对应的设计为齿条槽21的凹槽11基本上轴向居中地布置。转子3的其余实施情况对应于图4的实施情况。
图9示出了转子3在具有轮廓28，29的第六实施情况的极靴7的区域中的放大的纵截面，其中轮廓28，29如图7和图8中那样仅在相应的接触面8，9的轴向长度的一部分上延伸。设计为齿条20的凸起10和与凸起10相对应的设计为齿条槽21的凹槽11基本上轴向地布置在相应的接触面8，9的轴向端部处以及轴向居中地布置。转子3的其余实施情况对应于图4的实施情况。
图10示出转子3在具有轮廓28，29的第七实施方式的极靴7的区域中的放大透视图。轮廓28，29在接触面8，9的整个轴向和切向长度上延伸。在轴5的第一接触面上的第一轮廓28示例性地具有关于第一参考平面24的凸起10。在第二接触面9上的第二轮廓29具有与之匹配的关于第二参考平面25的凹部11。凸起10设计成截头棱锥体22并且凹部11设计为与截头棱锥体22相对应的截头棱锥形凹槽23。通过这样的轮廓28，29，可以在轴向方向A和切线方向T上实现形状配合的横向力传递。截头棱锥体22的高度和截头棱锥形凹槽23的深度分别关于它们的参考平面24，25处于毫米范围至厘米范围内。
截头棱锥体22和相对应的截头棱锥形凹槽23均具有四个倾斜侧面14。凸起10和凹部11的其他设计是可以考虑的并且属于本发明的内容，在这些设计中，第一接触面8在倾斜侧面14的区域中的基本上平坦地放置在第二接触面9上。
图11示出了转子3在具有连接件19的极靴7的区域中的纵截面。极靴7和轴5具有穿孔16，其中设计成螺栓的连接件19穿过极靴7和轴5在径向方向R上延伸。通过该螺栓19，极靴7以挤压力26固定在轴5上。螺栓19或其他连接件19、例如柱形销仅允许逐点的形状配合。由于联系热膨胀而出现的横向力通常非常高，因此需要大量的这种连接件19和/或相应大的横截面。但是因为特别需要另外的连接件来保持运行期间起作用的离心力，因此用于附加的连接件19的空间有限。自由轮廓18，19并不需要额外的连接件。通过第一接触面8与第二接触面9平坦的形状配合连接，避免了接触面8，9彼此相对的移动，进而实现更稳定的振动特性。
Claims (10)
1.一种用于旋转电机器(1)、尤其是同步电机(27)的转子(3)，具有轴(5)和至少一个极靴(7)，
其中，所述轴(5)具有第一接触面(8)，其中所述至少一个极靴(7)具有第二接触面(9)，
其特征在于，
所述第一接触面(8)具有第一轮廓(28)并且所述第二接触面(9)具有与所述第一轮廓(28)相对应的第二轮廓(29)，
其中，所述第一接触面(8)的所述第一轮廓(28)形状配合地放置在与所述第二接触面(9)的相对应的所述第二轮廓(29)上，
其中，通过所述轮廓(28，29)至少在轴向方向(A)上存在相应的所述接触面(8，9)的高度变化。
其中，相应的所述轮廓(28，29)具有齿条(20)和/或齿条槽(21)，或者
其中，相应的所述轮廓(28，29)具有截头棱锥体(22)和/或截头棱锥形凹槽(23)。
2.根据权利要求1所述的转子(3)，其特征在于，所述轮廓(28，29)基本上在相应的所述接触面(8，9)的整个轴向长度上延伸。
3.根据权利要求1或2所述的转子(3)，其特征在于，所述轮廓(28，29)具有倾斜侧面(14)，其中，所述第一接触面(8)与所述第二接触面(9)在所述倾斜侧面(14)的区域中接触。
4.根据权利要求3所述的转子(3)，其特征在于，所述第一轮廓(28)的倾斜侧面(14)基本上平行于所述第二轮廓(29)的倾斜侧面(14)延伸并且其中所述第一接触面(8)在所述倾斜的侧面(14)的区域中平坦地放置在所述第二接触面(9)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，在所述第一接触面(8)与所述第二接触面(9)之间部分地形成空腔(15)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子(3)，其中，相应的所述轮廓(28，29)至少在轴向方向(A)上基本冗余地设计。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子(3)，其中，至少部分的所述第一接触面(8)和/或所述第二接触面(9)具有大于25μm的表面粗糙度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转子(3)，其中，所述齿条(20)在横截面上基本具有特别是等边的梯形的形状。
9.一种旋转电机器(1)，特别是同步电机(27)，具有根据权利要求1至8中任一项所述的转子(3)。
10.一种制造用于旋转电机器(1)、特别是同步电机(27)的根据权利要求1至8中任一项所述的转子(3)的方法。
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