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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Nutverschlusskeil für einen
Stator oder einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere
einer großen Induktionsmaschine,
z.B. einer für
ein Hybridfahrzeug vorgesehenen Maschine. Weiter betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Nutverschlusskeils.
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Große Induktionsmaschinen
weisen oft Statornuten und vorgefertigte Wicklungen auf. Die offenen
Statornuten erlauben es, dass die vorgefertigten Wicklungen außerhalb
der Maschine hergestellt werden können und von der inneren Statoröffnung in
die offenen Nuten eingesetzt werden können. Üblicherweise werden die offenen
Nuten anschließend
mittels nicht-magnetischer Nutverschlusskeile geschlossen. 4 zeigt
eine solche Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der vorgefertigte
Wicklungen 3 in Statornuten 2a eines Stators eingesetzt
sind und die Statornuten 2a anschließend zu der innenliegenden Statoröffnung mittels
nichtmagnetischer Nutverschlusskeile 4 verschlossen werden,
damit die Wicklungen 3 gesichert sind. Die Nutverschlusskeile 4 sind
nach dem Nut- und Federprinzip in den Stator eingesetzt.
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Bei
einem solchen Aufbau bestehen jedoch einige Probleme. Magnetisch
offene Nutanordnungen führen
aufgrund des großen
effektiven Luftspalts zu einem erhöhten Magnetisierungstrom und
aufgrund der höheren
Luftspaltfeldschwankungen zu höheren
Hochfrequenz-Eisenverlusten und einer höheren Vibration und demzufolge
zu einer höheren Geräuschentwicklung.
Es können
ebenfalls pulsierende Kräfte
an den Stator-Polzähnen
resultieren. Durch die herabgesetzte Magnetisierungsreaktanz wird
der Leistungsfaktor in Maschinen mit offenen Nuten weiter negativ
beeinflusst. Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu dem ernstzunehmenden
Effekt des Erhöhens
der Nennleistung des Antriebskonverters, da die Nennleistung umgekehrt
proportional zu dem Leistungsfaktor ist.
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Wie
zuvor schon angegeben, werden für
die Nutverschlusskeile in großen
elektrischen Maschinen, in denen es der Zweck der Nutverschlusskeile ist,
die Wicklungen in den Nuten zu sichern, herkömmlicherweise nicht-magnetische
Materialien für die
Nutverschlusskeile verwendet. Für
diesen Zweck wurden in den vergangenen Jahren verschiedene Materialien
verwendet, wie z.B. hartes Holz, mit Glasfiber verstärktes Plastik,
Messing, Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen und nicht-magnetischer Stahl.
Bei einer solchen mechanischen Befestigung in den Nuten bestehen
die (zuvor beschriebenen) elektromagnetischen Probleme der magnetisch
offenen Nuten weiterhin.
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Die
zuvor beschriebenen, in Zusammenhang mit dem Aufbau der offenen
Statornuten 2a stehenden elektromagnetischen Probleme können durch die
Verwendung von herkömmlichen, halbgeschlossenen
Nuten reduziert werden, wie sie in 5 gezeigt
sind. Bei diesem Aufbau, bei dem die Polzähne 2b des Stators 2 jeweils
Polschuhe 6 aufweisen, die die Statornut 2a an
ihrem offenen Ende zu einer kleinen Öffnung 7 verengen,
ist es jedoch aufgrund der sehr kleinen Nutöffnungen 7 unmöglich, die
vorgefertigten Wicklungen 3 von der inneren Statoröffnung in die
Nuten einzusetzen.
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Die
Nachteile von magnetisch offenen Nutanordnungen können auch
durch die Verwendung von magnetischen Nutverschlusskeilen zum Schließen der
offenen Statornuten aufgehoben oder reduziert werden. Die Verwendung
von magnetisch geschlossenen Nuten, teilweise geschlossenen Nuten
oder magnetischen Nutverschlusskeilen reduziert die durch die Nuten
entstehenden Luftspaltfeldschwankungen, wodurch demzufolge mit diesen
Schwankungen im Zusammenhang stehende Vibration, Geräuschentwicklung
und Verluste reduziert werden.
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Ein
magnetisches Schließen
der Statornut führt
weiter zu einer niedrigeren effektiven Luftspaltbreite, wodurch
die Magnetisierungsreaktanz und möglicherweise auch der Leistungsfaktor
angehoben werden. Die Verwendung von magnetischen Nutverschlusskeilen
führt jedoch
zu einer erhöhte
Nutstreureaktanz, wodurch das von der Maschine erzeugte Anlaufmoment
und maximale Drehmoment reduziert werden. Demzufolge sollte die
magnetische Permeabilität
der Nutverschlusskeile groß genug
sein, um die Luftspaltfeldschwankungen zu reduzieren, aber auch niedrig
genug sein, um einen starken Anstieg der Nutstreureaktanz zu vermeiden.
Es ist klar, dass ein teilweise magnetisches Verbundmaterial benötigt wird,
welches eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
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In
den letzten 25 Jahren wurde eine Vielzahl von Materialien und Verbundstoffen
für die
Verwendung als magnetische Nutverschlusskeile getestet, hiervon
sind umfasst: Nutverschlusskeile, die unter Verwendung eines Isoliermaterials
hergestellt werden, das Schichten von in einer Richtung verlaufenden
Stahldrähten
aufweist; eine weichmagnetische Pulvermischung mit niedriger Permeabilität und hohem
Widerstand, welcher eine Plastikmasse bildet; mit Eisenpulver vermischtes
laminiertes Epoxyglas; Weichferrit und weichmagnetisches Eisenpulver (Permit).
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Neuere
Forschungen zeigen an, dass das ideale magnetische Material für Nutverschlusskeile eine
eher niedrige anfängliche
relative Permeabilität von
etwa 10 zusammen mit einer großen
Sättigungsflussdichte
aufweisen soll. 6 zeigt solche Nutverschlusskeile 5 anstelle
der in 4 gezeigten Nutverschlusskeile 4. Diese
Anordnung reduziert die zuvor angegebenen elektromagnetischen Probleme der
nicht-magnetischen Nutverschlusskeile und erlaubt das Einfügen der
vorgefertigten Statorwicklungen 3 von der inneren Statoröffnung in
die Statornuten 2a.
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Der
erfindungsgemäße Nutverschlusskeil
für einen
Stator oder einen Rotor einer elektrischen Maschine ist derart ausgebildet,
dass er aus einem Zwei-Zustands-Stahl besteht und in an den Stator oder
den Rotor der elektrischen Maschine angrenzenden Randbereichen eine
hohe relative Permeabilität
sowie dazwischen einen mittleren Bereich einer niedrigen relativen
Permeabilität
aufweist.
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Korrespondierend
dazu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Nutverschlusskeils für einen Stator oder einen Rotor
einer elektrischen Maschine die Schritte:
- – Fertigen
des Nutverschlusskeils aus einem Zwei-Zustands-Stahl mit hoher relativen Permeabilität, und
- – Durchführen einer
Wärmebehandlung
des Mittelbereichs des Nutverschlusskeils, so dass dort eine niedrige
relative Permeabilität
entsteht.
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Durch
die erfindungsgemäße Verwendung von
aus Zwei-Zustands-Stahl
bestehenden Nutverschlusskeilen für den Stator und/oder den Rotor
einer elektrischen Maschine können
sowohl hinsichtlich der mechanischen/fertigungstechnischen als auch der
elektromagnetischen Eigenschaften Vorteile erzielt werden. Bei dem
Zwei-Zustands-Stahl kann die normal vorherrschende hohe magnetische
Permeabilität
in lokalen Bereichen mittels einer Wärmebehandlung permanent auf
die Permeabilität
von Luft reduziert werden. Die "Spaltöffnungen" des Nutverschlusskeils
werden durch eine Demagnetisierung des magnetischen Materials erzeugt,
wobei der Nutverschlusskeil tatsächlich
keine physischen Aussparungen aufweisen muss. Der so mit einer effektiven Spaltöffnung (im
magnetischen Sinn) versehene Nutverschlusskeil, der in seinen Randbereichen
eine hohe relative Permeabilität
aufweist, kann anschließend
wie bei dem in 4 gezeigten Stand der Technik
in den Stator oder den Rotor der elektrischen Maschine eingesetzt
werden, wodurch die Wicklungen in den Statornuten bzw. Rotornuten
gesichert werden.
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Nach
der Erfindung liegt die hohe relative Permeabilität vorzugsweise
im Bereich von 900 oder darüber
und die niedrige Permeabilität
liegt erfindungsgemäße vorzugsweise
im Bereich 1. Bei diesen Werten können die Mittelbereiche, d.h.,
effektiven Spaltöffnungen,
des erfindungsgemäßen Nutverschlusskeils,
mittels einer Wärmebehandlung
erzeugt werden, bei der das Material auf Temperaturen oberhalb von 1100°C erwärmt wird,
damit die relative Permeabilität
permanent um nahezu drei Größenordnungen
von etwa 900 auf 1, d.h., Luft, reduziert wird. Diese Erwärmung erfolgt
erfindungsgemäß vorzugsweise
mittels z.B. des Verfahrens eines Plasma-Schweißkopfes über den Mittelbereich, der
die effektive Spaltöffnung
des Nutverschlusskeils bilden soll.
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Der
erfindungsgemäße Nutverschlusskeil besteht
also aus einem einstückigen
weichmagnetischen Metallteil, der nebeneinander liegende Bereiche
mit hoher und niedriger relativer Permeabilität aufweist. Der wärmebehandelte
Mittelbereich niedriger Permeabilität weist weiterhin die mechanische Stärke und
Integrität
des ursprünglich
mit einer hohen Permeabilität
versehenen Nutverschlusskeils auf.
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Nach
der Erfindung ist der Nutverschlusskeil vorzugsweise zum Abschluss
von für
Statorwicklungen vorgesehene Statornut einer großen Induktionsmaschine vorgesehen.
Auf diese Weise werden bei großen
Induktionsmaschinen sowohl die Vorteile der Fertigung mit offenen
Statornuten und außerhalb
des Stators gewickelten vorgefertigten Wicklungen als auch die elektromagnetischen
Vorteile der halbgeschlossenen Schlitze erreicht, für deren
Erzielung es bisher unmöglich
war, vorgefertigte Wicklungen von der Seite der innenliegenden Statoröffnung in
die Statornut einzufügen.
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Nach
der Erfindung bildet der Mittelbereich niedriger Permeabilität vorzugsweise
eine Nutschlitzbreite von ungefähr
1/3 des Nutverschlusskeils oder weniger. Allgemein ist es erfindungsgemäß möglich, die
Breite des effektiven Nutschlitzes, d.h., des eine relative Permeabilität von Luft
aufweisenden Mittelbereichs, so zu wählen, wie die Öffnungen
herkömmlicher
teilgeschlossener Statornuten, die für eine bestimmte Induktionsmaschine
optimiert sind.
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Zeichnung
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In
der nachfolgenden Beschreibung sind mehrere Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Teil-Aufsicht eines Stators einer großen Induktionsmaschine, bei
dem Nutverschlusskeile gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzt sind,
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2 eine
Detail-Ansicht von einem der in 1 gezeigten
Nutverschlusskeile gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 eine
Teil-Aufsicht auf einen Stator einer großen Induktionsmaschine, bei
dem Nutverschlusskeile gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzt sind,
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4 eine
Teil-Aufsicht auf einen Stator einer großen Induktionsmaschine, bei
dem herkömmliche
nichtmagnetische Nutverschlusskeile verwendet werden,
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5 eine
Teil-Aufsicht auf einen Stator einer großen Induktionsmaschine, bei
dem herkömmliche
teilgeschlossene Statornuten zur Aufnahme der Wicklungen verwendet
werden, und
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6 eine
Teil-Aufsicht auf einen Stator einer großen Induktionsmaschine, bei
dem herkömmliche
magnetische Nutverschlusskeile verwendet werden, die aus einem weichmagnetischen
Eisenspäne enthaltenden
Material niedriger Permeabilität
bestehen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
Nutverschlusskeil gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, umfasst der Stator 2 mehrere
zahnförmige
nach innen gerichtete Polzähne 2b,
wobei zwischen zwei benachbarten Polzähnen 2b jeweils eine
zu der innenliegenden Statoröffnung
offene Statornut 2a vorgesehen ist. Die Statornut 2a weist
parallele Seiten auf, weswegen die Polzähne 2b sich von außen nach
innen verjüngen, damit
die vorgefertigten Wicklungen 3 leicht in die Statornuten 2a eingesetzt
werden können.
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Die
nach innen offenen Statornuten 2a sind mit Nutverschlusskeilen 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung abgeschlossen, damit die eingesetzten
Wicklungen 3 in den Statornuten 2a gehalten werden.
Eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Nutverschlusskeils gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in der 2 gezeigt.
Der Nutverschlusskeil ist in seiner Form im Wesentlichen so ausgestaltet,
wie der in 4 gezeigte nicht-magnetische
Nutverschlusskeil nach dem Stand der Technik. Er weist Vförmige Ende
auf, die in V-förmige
Nuten 2c in den Polzähnen 2b des
Stators 2 eingesetzt sind. Die beiden an zwei benachbarte
Polzähne 2b angrenzenden
Enden 1a, 1b des erfindungsgemäßen Nutverschlusskeils 1 haben
magnetische Eigenschaften und der dazwischen liegende Mittelbereich 1c des
erfindungsgemäßen Nutverschlusskeils 1 ist durch
eine Wärmebehandlung
entmagnetisiert und weist eine niedrige relative Permeabilität von Luft
auf. Der gesamte Nutverschlusskeil 1 weist eine Breite
b und der Mittelbereich 1c eine Breite a auf. Die Seitenbereiche 1a, 1b weisen
jeweils eine Breite von (b-a)/2 auf.
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3 zeigt
Nutverschlusskeile 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei diesen Nutverschlusskeilen 1,
die ebenfalls Seitenbereiche 1a, 1b und einem
Mittelbereich 1c mit den schon in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschriebenen Abmessungen aufweisen,
haben im Unterschied zu den Nutverschlusskeilen 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung keine Vförmigen Enden, die in V-förmigen Nuten 2c der
Polzähne 2b liegen,
sondern sägezahnförmige Enden,
die in sägezahnförmige Nuten
in den Polzähnen 2b liegen,
wobei die Anordnung so gewählt
ist, dass ein Herausrutschen der Nutverschlusskeile in die innenliegende
Statoröffnung
des Stators 2 verhindert wird.
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Der
erfindungsgemäße magnetische
Nutverschlusskeil mit zwei Zuständen
hat die Eigenschaften von zwei magnetischen Polschuhen 1a, 1b mit
hoher relativer Permeabilität,
die von einem wärmebehandelten
Mittelbereich 1c mit niedriger relativer Permeabilität getrennt
sind, der die Eigenschaften von Luft aufweist, um eine effektive
Nutschlitzöffnung
(nicht physikalisch, sondern magnetisch) zu erzeugen. Hierdurch
wird erfindungsgemäß eine ideale
Anordnung für
einen Nutverschlusskeil erzeugt, der einen herkömmlichen teilgeschlossenen
zur Aufnahme von Wicklungen vorgesehenen Nutschlitz simuliert. Demzufolge
werden durch die Erfindung die bei der Verwendung von herkömmlichen
nicht-magnetischen Nutverschlusskeilen bestehenden elektromagnetischen
Nachteile vermieden.
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Zunächst werden
hierdurch aufgrund der kleinen effektiven Breite der "Nutschlitzöffnungen" die durch die Nutausprägung hervorgerufenen Schwankungen
vermieden, wodurch Vibration, Geräuschentwicklung und mit diesen
Schwankungen im Zusammenhang stehende Verluste reduziert werden. Weiter
wird ebenfalls die effektive Breite des Luftspalts reduziert, wodurch
die Magnetisierungsreaktanz und auch der Leistungsfaktor erhöht werden. Die
effektive Breite des "Luftspalts", d.h., des Mittelbereichs
der erfindungsgemäßen Nutverschlusskeils,
der die magnetischen Eigenschaften von Luft aufweist, könnte vorzugsweise,
wenn nötig,
kleiner als bei Maschinen mit teilgeschlossenen Stator/Rotor-Nuten
sein. Dies ist möglich,
da hier nicht die Wicklungen durch diese Öffnungen gewickelt werden müssen. Die
effektiven Spaltöffnungen
begrenzen auch die Nutstreureaktanz, wodurch eine große Reduzierung
des von der Maschine entwickelten Anlaufdrehmoments und maximalen
Drehmoments vermieden wird. Schließlich wird es bei der erfindungsgemäßen konstruktiven
Ausgestaltung ermöglicht, vorgefertigte
Wicklungen von der Seite der innenliegenden Statoröffnung in
die Statornuten einzusetzen.
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Es
ist offensichtlich, dass die Erfindung, die in ihren Ausführungsbeispielen
in Bezug auf einen Stator einer großen Induktionsmaschine beschrieben wurde,
auch bei Rotoren Anwendung findet und auch nicht auf große Induktionsmaschinen
begrenzt ist. Beispiele solcher anderen elektrischen Maschinen, die
vorgefertigte Wicklungen verwenden, welche von der innenliegenden
Statoröffnung
in die Statornuten eingesetzt werden, umfassen z.B. große Synchronmaschinen
oder Gleichstrommaschinen.
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Die
erfindungsgemäße Nutverschlusskeile weisen ähnliche
oder bessere magnetische oder mechanische Eigenschaften auf, als
herkömmliche
Nutverschlusskeile, die üblicherweise
in elektrischen Maschinen verwendet werden, da keine Unterbrechungen
des Materials der Nutverschlusskeile 1 erfolgen, sondern
lediglich eine Änderung
der magnetischen Eigenschaften.