DE10057838A1 - Rotorläufer für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Ein Rotorläufer für eine elektrische Maschine ist versehen mit einem Läuferring (3), auf dessen äußerer Umfangsfläche (5) befestigten, über den Umfang verteilten Permanentmagneten (6) und einer die Permanentmagneten (6) gegen die bei Rotation des Rotorläufers (1) auftretenden Fliehkräfte sichernden Ringeinrichtung (R), wobei die Ringeinrichtung (R) den Läuferring (3) und die Permanentmagneten (6) an deren in Richtung der Rotationsachse (A) weisenden Seitenflächen (10, 11) flankierende Halteelemente (9, 9', 21, 31, 41,51) für die Permanentmagneten (6) aufweist, welche Halteelemente (9, 9', 21, 31, 41, 51) am Läuferring (3) fixiert und bei Rotation des Rotorläufers (1) in Radialrichtung beaufschlagt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotorläufer für eine elektrische Maschine mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung betrifft grundsätzlich das Gebiet der permanenterregten elektrischen Maschinen, bei denen sich die Magnete häufig im rotierenden bzw. bewegten Maschinenteil befinden. Es handelt sich dabei insbesondere um permanenterregte Synchronmaschinen, zu denen auch permanenterreg­ te, über Umrichter gespeiste Maschinen zählen. Gerade bei diesen elektri­ schen Maschinen stellt die Befestigung der Magnete im Läufer ein beson­ deres Problem dar, da in der Regel hohe auftretende Kräfte, insbesondere die Fliehkräfte in den rotierenden Maschinenteilen beherrscht werden müs­ sen.

Eine Möglichkeit in diesem Zusammenhang ist das sogenannte Außenläu­ ferkonzept, bei dem der rotierende Maschinenteil nach außen verlegt wird. Die Magnete werden bei diesem Maschinentyp auf der Innenseite des Au­ ßenläufers angeordnet, so daß die auf die Magnete einwirkenden Flieh­ kräfte durch die Läuferglocke aufgefangen werden können. Diese Läufer­ glocke kann entweder aus einem Blechpaket mit separatem Gehäuse oder durch eine Stahlglocke realisiert werden, die gleichzeitig den magnetischen Rückschluß bildet. Diese Konstruktion ist zwar mechanisch sehr stabil, kann jedoch nicht in allen Maschinentypen verwendet werden. Ferner ist die Montage der Maschine aufgrund des Außenläuferkonzepts nur von ei­ ner Seite her möglich. Schließlich ist das Massenträgheitsmoment der Ma­ schine wegen des weit außenliegenden Läufers groß.

Eine Alternative zum Außenläufer stellen die sogenannten "vergrabenen Magnete" dar, unter denen man im Läuferpaket in speziell hierfür vorgese­ hene Aussparungen eingesetzte Magnete versteht. Bei dieser Konstruktion werden die Magnete durch schmale Stege zwischen ihnen gehalten. Diese Haltestege produzieren jedoch einen magnetischen Kurzschluß und müssen daher magnetisch gesättigt werden. Der Magnetfluß durch die Haltestege erreicht nicht den Luftspalt und muß zusätzlich durch die Magnete geliefert werden. Werden nun die Haltestege sehr schmal gewählt, um einen gerin­ gen Streufluß und damit kleine magnetische Verluste zu erzielen, wird die Konstruktion als solche mechanisch geschwächt.

Eine gattungsgemäßer Rotorläufer ist nun aus FR 20 18 172 bekannt. Dort ist ein Läuferring vorgesehen, an dessen äußerer Umfangsfläche über den Umfang verteilt Permanentmagnete befestigt sind. Diese Permanentma­ gnete sind an ihrer radial nach innen weisenden Seite mit der äußeren Um­ fangsfläche des Läuferrings verklebt. Ferner ist eine Verklebung an den axial weisenden Seiten der Permanentmagnete mit jeweils den Läuferring axial begrenzenden Seitenflanschen des Rotors vorgesehen. Schließlich ist um die Permanentmagnete auf deren radial nach außen weisenden Seiten eine ringförmige Bandage gewickelt, um die Permanentmagnete zu stabili­ sieren. Bei diesem Stand der Technik sollen diese Magneten aus empfindli­ chem Keramikmaterial bestehen.

Aufgrund der verwendeten Bandagen ist der aus dem Stand der Technik bekannten Rotorläufer für hohe Belastungen offensichtlich geeignet, da eine hohe Festigkeit erzielt wird. Zu diesen Bandagen ist nun allerdings festzuhalten, daß sie in der Regel aus einem unmagnetischen Material be­ stehen, um einen magnetischen Kurzschluß und die damit verbundenen Flußverluste durch die Bandage zu vermeiden. In der Praxis kommen dabei als Bandagematerial sowohl Stahl als auch Glasfaser- und Kohlefaserwerk­ stoffe zum Einsatz.

Als grundsätzliche Probleme im Zusammenhang mit der Bandage ist deren hohe Belastung auf Zug durch die von den Magneten ausgeübten Flieh­ kräfte zu nennen. Ferner vergrößert die Bandage den magnetisch wirksa­ men Luftspalt an der Außenseite des Rotorläufers und reduziert damit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Schließlich vergrößert sie den Herstellungsaufwand bei der Produktion des Rotorläufers.

Ausgehend von den geschilderten Problemen bei der Permanentmagnetbe­ festigung nach dem Stand der Technik liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotorläufer für elektrische Maschinen so auszuführen, daß die Fixierung der Permanentmagnete unter Vermeidung wirkungsgradver­ schlechternder magnetischer Effekte verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach weist die angegebene Ringein­ richtung zur Sicherung der Permanentmagnete gegen die Fliehkräfte spezi­ elle Halteelemente für die Permanentmagnete auf, die den Läuferring und die Permanentmagnete an ihrer in Richtung der Rotationsachse weisenden Seitenflächen flankieren. Die Halteelemente sind dabei am Läuferring fi­ xiert und so mit den Permanentmagneten verbunden, daß sie bei einer Ro­ tation des Rotorläufers in Radialrichtung beaufschlagt sind.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Bandage auf Zug hoch bela­ stet ist, führt die beim Erfindungsgegenstand vorliegende radiale Kraftübertragung zu wesentlich kleineren Zugkräften in den Halteelemen­ ten. Dadurch wird die Befestigung der Magnete mit Konstruktionselemen­ ten vorgenommen, die auf wesentlich geringere Belastungen auszulegen sind. Die Halteelemente können damit dünner und folglich kostengünstiger herstellbar ausgeführt sein. Trotzdem ergibt sich eine gute mechanische Festigkeit des Rotorläufers gegen Fliehkräfte. Ferner sind im Bereich des Luftspaltes - je nach Ausführungsform - keine oder allenfalls nur dünne Konstruktionsteile vorhanden, so daß - anders als bei den Bandagierungen nach dem Stand der Technik - die Effizienz der Maschine verbessert wird. Unterschiedliche Ausführungsformen der Ringeinrichtung des erfindungs­ gemäßen Rotorläufers ergeben sich aus den Unteransprüchen. Diese wer­ den anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen aus mehreren Einheiten beste­ henden Rotorläufer in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Abwicklung eine die Magnete sichernden Ringeinrich­ tung mit Halteelementen einer der Einheiten des Rotorläufers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Ringeinrichtung gemäß Fig. 2 in Fi­ xierposition,

Fig. 4 einen teilweisen, vergrößerten Axialschnitt des Rotorläufers gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Rotorläufereinheit in einem Fertigungszwischenschritt,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Rotorläufereinheit ge­ mäß Fig. 5 in einem nachfolgenden Fertigungszwischen­ schritt,

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Rotorläu­ fereinheit in einer weiteren Ausführungsform, und

Fig. 8-10 vergrößerte ausschnittsweise Axialschnitte durch Rotorläu­ fereinheiten in weiteren unterschiedlichen Ausführungsfor­ men.

Wie aus Fig. 1 und 4 deutlich wird, besteht ein Läufer 1 einer elektrischen Maschine aus drei identisch aufgebauten Rotorläufereinheiten 2. Jede die­ ser Einheiten 2 weist einen Läuferring 3 auf, der in bekannter Weise aus in Richtung der Rotationsachse A aufeinandergestapelten Blechlamellen 4 zusammengesetzt ist. Auf der äußeren Umfangsfläche 5 des Läuferrings 3 sind jeweils in Umfangsrichtung U aneinandergereiht und über den Um­ fang verteilt Permanentmagnete 6 aufgeklebt.

Zur zusätzlichen Fixierung der Permanentmagnete 6 und insbesondere zur Aufnahme der in radialer Richtung angreifenden Fliehkräfte während der Rotation des Läufers 1 ist eine Ringeinrichtung R von außen über den Läu­ ferring 3 mit den Permanentmagneten 6 gestülpt, deren Abwicklung in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 3 ist eine Seitenansicht dieser Ringeinrichtung R gezeigt. Wie sich daraus entnehmen läßt, weist diese Ringeinrichtung R ein Trägerteil 7 auf, das als offener oder (wie in Fig. 3 gezeigt) geschlossener Ring ausgebildet sein kann. Entlang der in Umfangsrichtung U verlaufen­ den Längskanten 8 dieses Trägerteils 7 sind laschenförmige Haltefahnen 9 einstückig angeformt, die in der in Fig. 1 und 4 gezeigten Montagestellung die in Richtung der Rotationsachse A weisenden Seitenflächen 10, 11 des Läuferrings 3 und der Permanentmagneten 6 flankierend umgebogen sind. Die Seitenflächen 10, 11 und die Innenseiten der Haltefahnen 9 sind in nicht näher dargestellter Weise miteinander verklebt, so daß eine innige Verbindung zwischen Permanentmagneten 6 und Läuferring 3 zustande­ kommt. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß bei Auftreten von radial nach außen weisenden Fliehkräften die Haltefahnen 9 in radialer Richtung bean­ sprucht werden, wohingegen die in Umfangsrichtung U auftretenden Zug­ kräfte auf das ringförmige Trägerteil 7 praktisch vernachlässigbar sind.

Die drei Rotorläufereinheiten 2 werden zur Bildung des Läufers 1 in Axial­ richtung miteinander fluchtend aufeinandergestapelt, beiderseits mit in Au­ ßen- und Innendurchmesser etwa den entsprechenden Durchmesserdimen­ sionen des Läufers 1 entsprechenden, ringförmigen Endblechen 12 abge­ schlossen und durch Spannbolzen 13 paketiert. Letztere durchgreifen die Haltefahnen 9 der Ringeinrichtung R und die Blechlamellen 4 der Läufer­ ringe 3 jeweils über miteinander fluchtende Öffnungen 14.

Durch den vorstehend erläuterten modularen Aufbau des Läufers 1 können auch bei kurzen axialen Dimensionen der Permanentmagneten 6 längere Läuferbauformen realisiert werden. Trotzdem bleiben die Vorteile der kur­ zen axialen Baulänge der Permanentmagneten 6 erhalten, nämlich daß die dadurch auftretenden Durchbiegungskräfte bei einer Rotation des Läufers 1 in Grenzen gehalten werden. Diese Durchbiegungskräfte treten aufgrund der im wesentlichen seitlichen Halterung der Permanentmagneten 6 auf.

Anhand von Fig. 5 und 6 sind Aufbau und Montage einer Rotorläuferein­ heit 2 nochmals kurz zu rekapitulieren. So ist in Fig. 5 der Läuferring 3 mit der Vielzahl von aufgeklebten Permanentmagneten 6 erkennbar. In einem nächsten Zwischenschritt wird dann die Ringeinrichtung R darübergesetzt. Falls ein offener Ring verwendet wird, können die Haltefahnen 9 bereits abgekröpft ausgestaltet sein. Wird ein geschlossenes ringförmiges Träger­ teil 7 eingesetzt, so sind die Haltefahnen 9 im Vormontagezustand in einer Ebene mit dem Trägerteil 7 auszuführen, so daß dieses auf den Läuferring 3 aufgeschoben und anschließend die Haltefahnen 9 nach innen umgebogen werden können.

In beiden Fällen werden die nach innen über den Läuferring 3 hinausste­ henden Enden 15 entweder abgetrennt oder auf die Innenseite 16 des Läu­ ferrings 3 umgelegt.

Zur Fixierung der Haltefahnen 9 können diese neben oder zusätzlich zu der bereits erwähnten Verklebung auch über Laserschweißpunkte mit der Sei­ tenfläche 10 des Läuferrings 3 verschweißt werden. Ferner können die nach innen gelegten, einander überlappenden Enden 15 zweier gegenüberliegen­ der Haltefahnen 9 miteinander verschweißt werden.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform einer Rotorläufereinheit 20 ist wiederum der übliche Läuferring 3 mit den darauf geklebten Permanent­ magneten 6 vorgesehen. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist die Ringeinrichtung R jedoch aus mehreren, sich jeweils über einen Teil des Umfangs erstreckenden Ringkomponenten 21 zusammengesetzt, die jeweils aus im Querschnitt U-förmig gebogenen Halteblechen gebildet sind. Die U-Basis bildet dabei das auf den Außenseiten 17 der Permanent­ magneten 6 sitzende Trägerteil 7', die U-Schenkel jeweils die Haltefahnen 9'. Letztere sind wiederum mit den Seitenflächen 10 des Läuferrings 3 la­ serverschweißt.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform des Läufers 1 sind wiederum drei Rotorläufereinheiten 30 vorgesehen, die in geeigneter Weise paketiert sind. Die Ringeinrichtungen R sind bei diesem Ausführungsbeispiel aller­ dings durch einfache, die Seitenflächen 10, 11 von Läuferring 3 und Per­ manentmagneten 6 jeweils flankierenden Ringscheiben 31 gebildet, die durch entsprechende, nicht näher dargestellte Verklebungen mit Läuferring 3 und Permanentmagneten 6 fest verbunden sind. Für begrenzte Rotations­ geschwindigkeiten kann diese relativ einfache Konstruktion ausreichend sein, insbesondere da die Verklebungen an den Seitenflächen 11 der Per­ manentmagneten 6 vornehmlich auf Schub belastet werden, was für Kle­ bungen günstiger ist als reine Zugspannungen.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind wiederum drei Ro­ torläufereinheiten 40 vorgesehen, die vom grundsätzlichen Aufbau mit Läuferring 3, Permanentmagneten 6 und Ringscheiben 41 dem der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 8 entsprechen. Zusätzlich zu den Verklebungen über die Ringscheiben 41 ist jedoch eine radiale Halterung der Permanentma­ gneten 6 dadurch erreicht, daß die Ringscheibe 41 an ihrer radial äußeren Kante 42 mit einem umlaufenden Ringbund 43 versehen ist, der die Außen­ seiten 17 der Permanentmagnete 6 randseitig umgreift. Die Ringbünde 43 sind jeweils in Ringnuten 44 versenkt angeordnet, so daß die Außenseite des Läufers 1 glattflächig zylindrisch gestaltet ist. Bei dieser Kombination von Klebe- und Formschlußverbindung müssen die Ringscheiben 41 und -bünde 43 in ihrer Stärke so ausgelegt sein, daß sie die Fliehkräfte der Ma­ gnete 6 aufnehmen können.

Bei den Rotorläufereinheiten 50 des Läufers gemäß Fig. 10 sind statt eines Ringbundes, wie bei 43 in Fig. 9, die radial äußeren Kanten 52 der Ringscheiben 51 umgebördelt, wobei diese Bördelkanten 52 in jeweils umlaufenden Ringnuten 53 an den in Umfangsrichtung verlaufenden Kan­ ten der Außenseite 17 der Permanentmagnete 6 versenkt angeordnet sind.

Wie in den Zeichnungen nicht näher dargestellt ist, kann die Ringeinrich­ tung zur Fixierung der Permanentmagnete 6 auch durch eine um Läuferring 3 und Permanentmagnete 6 spiralig herumgewickelte Bandlage aus Stahl, Glasfaser oder ähnlichen Materialien ausgelegt sein. Diese Bandlage hält - im Gegensatz zu einer Bandage nach dem Stand der Technik - die Per­ manentmagnete wiederum in erster Linie durch Radialkräfte und nicht - wie bei der Bandage üblich - durch tangentiale, in Umfangsrichtung ver­ laufende Kräfte, die erhebliche Zugspannungen innerhalb der Bandage er­ zeugen.

Zu der modulartigen Bauweise des Läufers 1 aus einzelnen Rotorläuferein­ heiten 2, 20, 30, 40, 50 sind mehrere Vorteile zu nennen. So reduziert die Unterteilung der Magnete an den Läufern in axialer Richtung die Wirbel­ stromverluste, falls elektrisch leitfähige Magnete eingesetzt werden. Ferner führt die axiale Teilung des Läufers 1 zu einer Erhöhung der Flexibilität beim Aufbau unterschiedlicher Varianten. Auf einfache Weise lassen sich nämlich Läufer mit unterschiedlichen Längen durch Stapeln von mehr oder weniger Läufereinheiten realisieren.

Schließlich bietet der modulartig gestapelte Läufer den Vorteil, daß die so­ genannten Rastmomente reduziert werden können, indem die verschiede­ nen Rotorläufereinheiten mit ihren Permanentmagneten gegeneinander leicht verdreht montiert werden. Dies ist an sich von einem sogenannten Staffelläufer her bekannt. Es lassen sich dadurch ähnlich gute Effekte er­ zielen wie durch eine Nutschrägung im Ständer.

Claims (11)

1. Rotorläufer für eine elektrische Maschine mit
einem Läuferring (3),
auf dessen äußerer Umfangsfläche (5) befestigten, über den Umfang verteilten Permanentmagneten (6), und
einer die Permanentmagnete (6) gegen die bei Rotation des Rotor­ läufers (1) auftretenden Fliehkräfte sichernden Ringeinrichtung (R),
dadurch gekennzeichnet, daß die Ringeinrichtung (R) den Läuferring (3) und die Permanentma­ gnete (6) an deren in Richtung der Rotationsachse (A) weisenden Seitenflächen (10, 11) flankierende Halteelemente (9, 9', 21, 31, 41, 51) für die Permanentmagnete (6) aufweist, welche Halteelemente (9, 9', 21, 31, 41, 51) am Läuferring (3) fixiert und bei Rotation des Rotorläufers (1) in Radialrichtung beaufschlagt sind.

2. Rotorläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hal­ teelemente durch Ringscheiben (31, 41, 51) gebildet sind, deren radial äußeren Kanten (52) über die Außenseiten (17) der Permanentmagneten (6) greifen.

3. Rotorläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kan­ ten (52) der Ringscheiben (51) umgebördelt sind.

4. Rotorläufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hal­ teelemente (41) an ihren radial äußeren Kanten (42) mit einem sich quer dazu erstreckenden Ringbund (43) versehen sind, mit dem sie über die Außenseiten (17) der Permanentmagneten (6) greifen.

5. Rotorläufer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die über die Permanentmagneten (6) greifenden Kanten (43, 52) der Ringscheiben (41, 51) in entsprechenden Ringnuten (44, 53) in den Permanentmagneten (6) versenkt angeordnet sind.

6. Rotorläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halteelemente (9, 9', 31, 41, 51) mit den in Richtung der Rotationsachse (A) weisenden Seitenflächen (11) der Permanentma­ gneten (6) verklebt sind.

7. Rotorläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halteelemente (9, 9') einstückig mit einem sich zumindest über einen Teilumfang des Rotorläufers (1, 2) erstreckenden Trägerteil (7, 7') verbunden sind.

8. Rotorläufer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trä­ gerteil (7) einen um den Umfang des Rotorläufers (1, 2) geschlossenen Bandring bildet, von dem seitlich jeweils die Halteelemente bildende Haltefahnen (9, 9') abstehen.

9. Rotorläufer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (9, 9') mit der Seitenfläche (16) des Läuferrings (3) ver­ schweißt, vorzugsweise laserverschweißt sind.

10. Rotorläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere aus Läuferring (3), Permanentmagneten (6) und Hal­ teelementen (9, 9', 21, 31, 41, 51) bestehende Rotorläufereinheiten (2) Seite an Seite in Richtung der Rotationsachse (A) modular zu einem Rotorläufer (1) zusammengesetzt sind.

11. Rotorläufer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ro­ torläufereinheiten (2) durch Endbleche (12) abgeschlossen und durch diese koppelnde, die Läuferringe (3) und die Ringeinrichtungen (R) durchgreifende Spannbolzen (13) fixiert sind.