DE102004013869A1

DE102004013869A1 - Bandgesetzter Magnetkörper einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102004013869A1
Application number: DE200410013869
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Gensch; Jörg-Hinrich Dipl.-Ing. Krebs
Original assignee: Krebs & Aulich GmbH
Current assignee: Krebs & Aulich GmbH
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bandgesetzten Magnetkörper einer elektrischen Maschine, mehrere Teilkörper sowie einen Trägerkörper aufweisend. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand zur Fertigung der Magnetkörper hinsichtlich Kosten für Material, Fertigungsmittel und Fertigungszeit zu senken. Es soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Wicklung, als konzentrische Wicklung gefertigt, direkt je Pol auf den Magnetkörper aufzusetzen. Ebenso soll eine Direktbewicklung, insbesondere bei Verwendung von Profildrähten, durch die Gestaltung des Magnetkörpers ermöglicht werden. Der zu entwickelnde Magnetkörper soll für eine Fertigung mit variablen Stützzahlen ohne markante Kostenabhängigkeiten der gefertigten Stückzahlen geeignet sein. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der Magnetkörper Teilkörper auf, die aus Blechstreifen unterschiedlicher Länge bestehen. Diese Blechstreifen sind geschnitten, gebogen und gesetzt, als Teilpaket befestigt und in dieser Form in geeigneter Weise zur Aufnahme auf dem Trägerkörper vorbereitet, auf einem Trägerkörper befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen bandgesetzten Magnetkörper einer elektrischen Maschine, der mehrere Teilkörper sowie einen Trägerkörper aufweist.
Die erfindungsgemäße Ausführung des bandgesetzten Magnetkörpers findet vorzugsweise bei Maschinen mit ausgeprägten Polen Anwendung.
Das Kostenniveau elektrischer Maschinen im Bereich kleiner und mittlerer Leistungen wird wesentlich von der Gestaltung und von der Materialqualität des Magnetkörpers und von der Art der Wicklung beeinflusst. Eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen von Magnetkörpern beschreiben den Stand der Technik. Eine mögliche Gruppierung bekannter Lösungen führt zu nachstehender Zusammenstellung:
Magnetkörper für rotierende elektrische Maschinen

• aus einem Material urgeformt, z.B. gepresst, gesintert, gegossen
• aus massivem ferromagnetischen Material mechanisch bearbeitet
• aus in Blechronden gestanzte Geometrien der Zähne und Nuten für eine radiale Anordnung von Stator zu Rotor
• aus gewickelten Blechstreifen mit gestanzten Geometrien der Zähne und Nuten für eine axiale Zuordnung von Stator zu Rotor

Die Wahl der Ausführung wird durch die gewünschten Betriebsparameter der elektrischen Maschine entschieden. Leistungs-, Drehzahl- und Frequenzbereich, aber auch insbesondere die energetischen Faktoren, wie Wirkungsgrad und Leistungsfaktor, die mechanische Festigkeit bei der der Betriebsart zugeordneten Belastungen und die dynamischen Eigenschaften in elektrischer, elektromagnetischer und mechanischer Hinsicht geben Anwendungsbereiche für die genannten Gestaltungsvarianten von Magnetkörpern vor. Entsprechend unterschiedlicher Beanspruchung werden auch gemischte Ausführungen angewendet.
In rotierenden elektrischen Maschinen mit radialer Zuordnung von Stator zu Rotor wird im industrietechnischen Einsatz jeweils der Teil geblecht ausgeführt, in dem mit höherer Frequenz wirkprinzipbedingt wechselnde Magnetflüsse geführt werden.
Die meist gewählte und bislang auch kostengünstigste Ausführung sind die mit gestanzten Geometrien der Zähne und Nuten axial gesetzten Magnetkörper. Das Ausgangsmaterial solcher Magnetkörper sind Blechtafeln oder Blechstreifen. Die Materialausnutzung ist geometriebezogen begrenzt. Dabei führt der Stanzprozess naturgemäß zu nicht un beträchtlichen Abfallmengen und damit unverhältnismäßig hohem Materialverbrauch.
Die Erhöhung des Mechanisierungs- bzw. Automatisierungsgrades mit seiner stetig steigenden Vielfalt der Maschinenmodelle führt zu steigenden Aufwendungen für die Ausrüstungen des Stanz- und Fügeprozesses – beispielsweise ist eine zunehmende Vielzahl von Stanzwerkzeugen nötig.
Ein weiterer Nachteil der genannten Fertigungsweise der Magnetkörper besteht darin, dass die magnetische Kornorientierung der Bleche nicht in ausreichendem Maße Berücksichtigung bei der Setzung der Magnetkörper finden kann.
Die Wicklungen werden in die Nuten verteilt eingelegt – meist in Gruppen als Formspulen-, Einzugs- oder Träufelwicklung. Diese Arbeiten sind zeitaufwendig und schlecht automatisierbar. Durch die Aufspaltung in Teilgruppen kann meist nur ein Wicklungsfaktor kleiner als 1 erreicht werden. Phasenübergänge erfordern entsprechende Isolation, insbesondere bei dynamischen Vorgängen in Verbindung mit leistungselektronischen Stellgliedern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Aufwand zur Fertigung der Magnetkörper hinsichtlich Kosten für Material, Fertigungsmittel und Fertigungszeit zu senken. Es soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Wicklung, als konzentrische Wicklung gefertigt, direkt je Pol auf den Magnetkörper aufzusetzen. Ebenso soll eine Direktbewicklung, insbesondere bei Verwendung von Profildrähten, durch die Gestaltung des Magnetkörpers ermöglicht werden. Der zu entwickelnde Magnetkörper soll für eine Fertigung mit variablen Stückzahlen ohne markante Kostenabhängigkeiten der gefertigten Stückzahlen geeignet sein.
Ebenso soll das für den zu entwickelnden Magnetkörper eingesetzte Magnetmaterial mit einer Vorzugsrichtung der magnetischen Kennwerte möglichst nur in dieser Richtung beansprucht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen bandgesetzten Magnetkörper gelöst, dessen Gestaltung den Patentansprüchen folgt.
Das Wesen der Erfindung besteht im Kerngedanken darin, dass der Magnetkörper einer elektrischen Maschine aus Teilkörpern besteht, die auf einem Trägerkörper befestigt sind. Dabei gehört es zum Kerngedanken, dass diese Teilkörper aus Blechstreifen unterschiedlicher Länge bestehen, die geschnitten, gebogen und gesetzt als Teilpaket verfestigt sind.
Erfindungswesentlich ist auch, dass die genannten Teilpakete in geeigneter Weise zur Aufnahme auf dem Trägerkörper vorbereitet und auf diesem befestigt sind.
Hierzu gehört die erfindungswesentliche Ausgestaltung der Teilpakete derart, dass die auf dem Trägerkörper befestigten Teilpakete eine etwa u-förmige oder v-förmige Gestalt aufweisen. Sie sind dabei so auf dem Trägerkörper angeordnet, dass die Teilschenkel auf dem Trägerkörper jeweils benachbart angeordneter Teilpakete jeweils einen Pol ausbilden.
Die Gestaltung des Magnetkörpers einer elektrischen Maschine entsprechend der Grundzüge der Erfindung führt zu zahlreichen Vorteilen und löst überzeugend die Aufgabe der Erfindung:
Die Zusammensetzung der Teilpakete aus im wesentlichen rechteckigen Magnetblechzuschnitten ermöglicht eine verschnittarme und bezüglich der Werkzeugerfordernisse anspruchslose und zeitökonomische Fertigung der Bleche mit nahezu unveränderlichem Kostenniveau bei variabler gefertigter Stückzahl.
Die Bildung der Magnetpole aus den Teilschenkeln der Teilpakete gestattet mit verschiedenen Variationsmöglichkeiten die Verwendung konzentrischer Wicklungen, ggf. auch die Direktbewicklung der jeweiligen Pole. Mit der Verwendung von Polschuhen bieten sich zahlreiche Möglichkeiten der Feldgestaltung im Luftspalt und der Beeinflussung von Betriebsparametern der Maschine.
Das Wesen der Erfindung äußert sich auch darin, dass die durch den bandgesetzten Magnetkörper mögliche Anordnung der Wicklung sowie deren Aufbringung auf den Magnetkörper den Übergang der Verlustwärme an das Kühlmedium über kurze Wärmeleitwege sichert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung des Magnetkörpers aus im wesentlichen rechteckigen Blechzuschnitten besteht in der nun möglichen Nutzung der Bleche nahezu ausschließlich in der Hauptrichtung der magnetischen Kornorientierung: Die durch die Kornorientierung materialtechnisch bedingte Vorzugsrichtung des Magnetflusses in diesem Magnetkörper wird ohne magnetisch weniger wirksame Querrichtungsteilstrecken genutzt.
Der wesentliche Erfindungsgedanke ermöglicht schließlich mit seiner Gestaltungsflexibilität für den Magnetkörper einer elektrischen Maschinen vorteilhaft dessen Verwendung sowohl als ruhender als auch als rotierender Teil einer elektrischen Maschine.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht weiterhin darin, dass sie die Nutzung des bandgesetzten Magnetkörpers in elektrischen Maschi nen unabhängig vom Wirkprinzip (z.B. Synchronprinzip, Asynchronprinzip, Reluktanzprinzip) gestattet.
Ebenso erfindungswesentlich ist die Nutzung des erfindungsgemäß bandgesetzten Magnetkörpers unabhängig von der Verwendung weichoder hartmagnetischer Werkstoffe im Sekundärkreis der elektrischen Maschine.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen 1 und 2 erläutert werden.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bandgesetzten Magnetkörpers einer 12poligen Maschine. Dabei weist der Magnetkörper 12 Pole P1 bis P12 auf. Diese Pole P1 bis P12 werden in ihren Polschäften gebildet von zwei jeweils aneinanderliegenden Schenkeln S1b und S2a; S2b und S3a ... S12b und S1a jeweils benachbarter Teilpakete T1 bis T12. Die Pole P1 bis P12 tragen darauf aufgesetzte Polschuhe PS1 bis PS12.
Die Teilpakete T1 bis T12 werden mittels Druckleisten 3 auf den Trägerkörper 1 gehalten.
12 konzentrisch gewickelte Spulen 2 nutzen den Wickelraum 5, geben aber durch Distanzteile 6 zum jeweiligen Polschaft der Pole P1 bis P12 und zwischen den Spulen 2 Raum für die Durchströmung eines Kühlmediums frei.
Das radiale Festsetzen der Spulen 2 geschieht durch die Polschuhe PS1 bis PS12, deren Kontur zu einem radialen Luftspalt den Anforderungen an die Form des Luftspaltfeldes entsprechend ausgeführt ist.
2 zeigt die im erfindungsgemäß bandgesetzten Magnetkörper gebildeten Pole P und in die Pollücken eingefügte vorgefertigte konzentrisch gewickelte Spulen 2. Ein vorhandener Wickelraum 5 wird vollständig für die Spulen 2 einschließlich Isolation genutzt. Eine aufgezogene Bandage 8 arretiert die Spulen 2 in dem den Magnetkörper axial überragenden Teil. Die Pole P sind auf dem Trägerkörper 1 aufgesetzt.
3 bildet einen bandgesetzten Magnetkörper im äußeren Teil einer elektrischen Maschine ab. Die Pole P werden auf dem Innendurchmesser des Trägerkörpers 1 aufgenommen. Ein Verspannen der Pole P wird erreicht durch die Formgebung des Trägerkörpers 1. Distanzstücke 9 zwischen den Spulen 2 arretieren diese.
4. stellt einen Schnitt des Trägerkörpers 1 dar und dient der Erläuterung für den Vorgang des Setzens, des Spannens und des Arretierens. Der Trägerkörper 1 besitzt einen Bund 1a und eine Setzfase 1b am Innenrand. Zwischen Bund 1a und der Setzfase 1b sind die Teilpakete T eingesetzt und werden axial verspannt durch einen Druckring 10, der ggf. mit der Setzfase 1b des Trägerkörpers 1 verschweißt sein kann.
5 zeigt einen mit unterschiedlicher Kantenlänge und im Bereich der Aufnahme der Teilpakete T des Magnetkörpers am Trägerkörper 1 geformtgeschnittenen Blechstreifen 10.
Die querliegenden Biegelinien 11 des geformtgeschnittenen Blechstreifens 10 folgen jeweils der Mittelpunktsgeraden des gedachten Kreises, den die Ecken der aufgesetzten Teilpakete T bilden, von der Ecke ausgehend.

P; P1 ... P12: Pol
T; T1 ... T12: Teilpaket
S1a, S1b, S2a ... S12b: Schenkel der Teilpakete
PS1 ... PS12: Polschuh
1: Trägerkörper
1a: Bund
1b: Setzfase
2: Spule
3: Druckleiste
4: Druckring
5: Wickelraum
6: Distanzteil
7: Luftspalt
8: Bandage
9: Distanzstück
10: geformtgeschnittener Blechstreifen
11: Biegelinie
12: Mittelpunktsgerade

Claims

Bandgesetzter Magnetkörper einer elektrischen Maschine, mehrere Teilkörper sowie einem Trägerkörper aufweisend, gekennzeichnet dadurch, dass die Teilkörper aus Blechstreifen unterschiedlicher Länge bestehen, die geschnitten, gebogen und gesetzt, als Teilpaket (T; T1 ... T12) verfestigt und in dieser Form in geeigneter Weise zur Aufnahme auf dem Trägerkörper (1) vorbereitet, auf diesem befestigt sind.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die Teilpakete (T; T1 ... T12) eine etwa u-förmige oder v-förmige Gestalt aufweisen und derart auf dem Trägerkörper (1) angeordnet sind, dass die Schenkel (S1a, S1b, S2a ... S12b) auf dem Trägerkörper (1) jeweils benachbart angeordneter Teilpakete (T; T1 ... T12) jeweils einen Pol (P; P1 ... P12) ausbilden.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass die Pole (P; P1 ... P12) nach dem Fügen die zur Feldgestaltung im Luftspalt erforderliche Kontur aufweisen oder diese durch Bearbeitung oder durch Aufsetzen von Polschuhen (PS1 ... PS12) erhalten.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass die Polschäfte zum direkten Aufsetzen konzentrisch gewickelter Spulen (2) unmittelbar aus dem Zuschnitt geformt sind und die Kornorientierung der magnetischen Vorzugsrichtung der Bleche in Hauptflußrichtung nutzen.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass der Biegeradius der Blechstreifen variabel entsprechend einer Polpaarzahl p> 2 festgesetzt wird und die Art der Befestigung der Teilpakete (T; T1 ... T12) auf der Welle der elektrischen Maschine in die Gestaltung einbezogen ist.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 5., gekennzeichnet dadurch, dass der Biegeradius der Blechstreifen derart gestaltet ist, dass der Innenraum der Teilpakete (T; T1 ... T12) Druckleisten (3) o.ä. zur Verschraubung auf dem Trägerkörper (1) aufnehmen kann, die eine Fixierung der Teilpakete (T; T1 ... T12) sichern.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 6., gekennzeichnet dadurch, dass die Druckleisten (3) axial beidseitig in Pressringen aufgenommen werden und durch axiale Verspannung die Fixierung der Teilpakete (T; T1 ... T12) ohne Schwächung des Rückens des Trägerkörpers (1) durch Befestigungsbohrungen gegeben ist.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die Blechstreifen in magnetischer Vorzugsrichtung geschnitten sind und in der gefügten und montierten Form in der Maschine diese Vorzugswerte Betriebsparameter der Maschine günstig beeinflussend nutzen.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass bei der Gestaltung der Magnetkörper bei Beibehaltung der konstruktiven Gestaltung und der Technologie Blechstreifen variabler Dicke verwendet sind, um z.B. frequenzabhängigen Verlusten im Magnetkörper, insbesondere bei Betrieb mit Umrichtern, variabel entgegen zu wirken.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass auf die Pole (P; P1 ... P12) aufgesetzte konzentrisch gewickelte Spulen (2) durch Verguß oder durch Bandagieren axial über den Teil der Spulen (2), der axial über den Magnetkörper hinausragt, oder durch eingesetzte Polschuhe (PS1 ... PS12) festgesetzt sind.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass die konzentrisch gewickelten Spulen (2) der sich ausbildenden leistungsabhängigen Temperaturverteilung des Magnetkörpers nachkommend geformt sind und je nach thermischer Belastung die wählbare Oberfläche durch Ausnutzung des vorhandenen Raumes in der Pollücke und/oder durch teilweise Distanz zu den Polschäften und/oder durch Minimierung der Wärmeleitwege durch Formgestaltung bei möglichst kleinem Gradienten ausgebildet wird.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 2., gekennzeichnet dadurch, dass der Magnetkörper derart gesetzt ist, dass die konzentrischen Spulen (2) durch Direktbewicklung auf je einen Polschaft aufgebracht werden können.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass der bandgesetzte Magnetkörper in der Ausführung sowohl als ruhendes Teil einer Außenläufermaschine als auch als rotierender Teil einer Innenläufermaschine verwendet wird.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass der bandgesetzte Magnetkörper in Verbindung mit unterschiedlichen Sekundärteilen, z.B. Außenkäfigrotor, Reluktanzrotor, Stator mit verteilter ein- oder mehrphasiger Wicklung, verwendet wird.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die Teilpakete (T; T1 ... T12) der Pole (P; P1 ... P12) durch Verkleben der Blechstreifen verfestigt sind.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die gesetzten Teilpakete im äußeren Teil der elektrischen Maschine angeordnet sind und der Trägerkörper (1) die Pole (P; P1 ... P12) umspannt.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass der Trägerkörper (1) einseitig eine Setzfase (1b) zur Aufnahme der Teilpakete (T; T1 ... T12) und zur Anlage auf der Gegenseite einen Bund (1a) besitzt, gegen den die Teilpakete (T; T1 ... T12) gepresst in sich verspannt sind.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die Teilpakete (Teilpakete (T) auf einem scheibenförmigen Trägerkörper (1) angeordnet sind und einen axialen Luftspalt bilden.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 18., gekennzeichnet dadurch, dass die zu Teilpaketen (T) des Magnetkörpers zu setzenden Blechstreifen (10) mit unterschiedlichen Längskantenmaßen ausgeführt sind und in gebogener Form mit der Biegelinie (11) einer Mittelpunktsgeraden (12) des Trägerkörpers (1) folgen.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die zu Teilpaketen (T) des Magnetkörpers zu setzenden Blechstreifen (10) im mittleren aufsetzenden Teil breiter geschnitten sind als die die Polschäfte bildenden Teillängen und im geformten Zustand in diesem breiteren Bereich mit dem Trägerkörper (1) gefügt sind.
Bandgesetzter Magnetkörper nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die zu Teilpaketen (T) des Magnetkörpers gefügten Blechstreifen im Bereich der Polschäfte in unterschiedlicher Länge geschnitten in Richtung Wickelraum gebogen die Festsetzung der Spulen (2) der Wicklung stützen.