DE102006048966A1

DE102006048966A1 - Magnetmodul für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102006048966A1
Application number: DE102006048966A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Metzner; Joachim Risse; Hartmut Walter; Ralf Wilcke; Reinhard Zech
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20100194226A1; WO2008046780A3; EP2082470A2; WO2008046780A2

Abstract

Eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere ein größerer Generator einer Windkraftanlage, soll einfach hergestellt und montiert werden können. Dazu werden erfindungsgemäß Magnetmodule (1) bereitgestellt, mit denen beispielsweise ein Rotor bestückt werden kann. Jedes Magnetmodul (1) besitzt eine Trägerplatte (4) zum Befestigen an dem Rotor, mindestens einen Permanentmagneten (3), der auf der Trägerplatte (4) angeordnet ist, und eine Abdeckeinrichtung (2), mit der der mindestens eine Permanentmagnet (3) auf der Trägerplatte (4) so befestigt ist, dass es sich zwischen der Trägerplatte (4) und der Abdeckeinrichtung (2) befindet. In vorteilhafter Weise lassen sich derartige Magnetmodule (1) in dem Spalt zwischen Rotor und Stator einfach montieren beziehungsweise austauschen.

Description

Die vorliege nde Erfindung betrifft ein Magnetmodul für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, das einen Träger und mindestens einen Permanentmagneten aufweist.
Bei permanent(magnet)erregten elektrischen Maschinen werden die Magnete in der Regel auf dem Rotor befestigt. Bei linearen elektrischen Maschinen werden sie üblicherweise am Sekundärteil, teilweise aber auch am Primärteil befestigt. Die Permanentmagnete müssen dabei vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Der Schutz vor Umwelteinflüssen ist insbesondere bei so genannten off-shore-Anwendungen unabdingbar.
Eine spezielle Anforderung besteht an die Befestigung der Permanentmagnete an dem jeweiligen Motorteil. Sie muss den elektrischen und mechanischen Randbedingungen der jeweiligen elektrischen Maschine gerecht werden. Dies sind im Allgemeinen magnetische Kräfte, Fliehkräfte und Montagemöglichkeiten. Neben der einfachen Montage muss das Magnetsystem auch einfach zu fertigen, einfach zu magnetisieren und darüber hinaus einfach austauschbar sein.
Bei bekannten permanenterregten elektrischen Maschinen werden Bandagen zum Fliehkraftschutz eingesetzt. Darüber hinaus ist es bekannt, Vergussmassen und Bandagen als zusätzlichen Schutz vor Umwelteinflüssen einzusetzen.
In der Druckschrift EP 1 439 626 A1 ist beispielsweise eine Anordnung von Permanentmagneten für eine Synchronmaschine beschrieben. Dort werden Permanentmagnete flächig und zumindest auf einer Seite auf einem Trägermaterial fixiert. Darüber hinaus werden quaderförmige Permanentmagnete, die in einen Verguss gebettet sind, sandwichartig zwischen zwei unterschiedlichen Trägermaterialien angeordnet. Eines der beiden Trägermaterialien ist amagnetisch und das andere Trägermaterial aus weichmagnetischem Werkstoff.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Montage insbesondere einer großen elektrischen Maschine, z. B. eines Windkraftgenerators, möglichst einfach zu gestalten und daher entsprechende Maschinenkomponenten vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe löst durch ein Magnetmodul für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine mit einer Trägerplatte zum Befestigen an dem Rotor oder dem Stator der elektrischen Maschine, mindestens einem Permanentmagneten, der auf der Trägerplatte angeordnet ist, und einer Abdeckeinrichtung, mit der der mindestens eine Permanentmagnet auf der Trägerplatte so befestigt ist, dass er sich zwischen der Trägerplatte und der Abdeckeinrichtung befindet.
Mit derartigen erfindungsgemäßen Magnetmodulen ist vor allem eine einfache Montage beispielsweise eines unmagnetisierten Rotors mit einem Durchmesser von 5 Metern in dem Stator möglich. Der Rotor lässt sich in diesem unmagnetisierten Zustand leicht zentrieren. Nach der Zentrierung und Lagerung des Rotors wird dieser mit den Magnetmodulen bestückt. Ebenso leicht sind die Magnetmodule, falls notwendig, austauschbar, ohne die gesamte elektrische Maschine zerlegen zu müssen. Dies ist insbesondere bei off-shore-Anwendungen von großem Nutzen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Magnetmoduls besteht darin, dass die jeweiligen Magnetmodule, d.h. die Einzelsysteme, für die elektrische Maschine einfach magnetisiert werden können. Die Magnetisierung muss nämlich nicht an dem Rotor oder Stator durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden durch die Abdeckeinrichtung sämtliche nach außen gerichtete Flächen des mindestens einen Permanentmagneten abgedeckt, die nicht von der Trägerplatte abgedeckt sind. Dadurch erfolgt gleichzeitig neben der Halterung des Permanentmagneten ein Schutz gegenüber Umwelteinflüssen.
Die Abdeckeinrichtung kann aus einer Stahlkappe bestehen. Eine derartige Stahlkappe besitzt die gewünschten mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften.
Vorteilhaft ist ferner, wenn der mindestens eine Permanentmagnet auf der Trägerplatte und/oder an der Abdeckeinrichtung durch ein Harz oder einen Klebstoff fixiert ist. Damit wird nicht nur die Montage erleichtert, sondern es ergibt sich ein zusätzlicher Schutz des Permanentmagneten gegenüber Umwelteinflüssen.
Zusätzlich kann das System mit einem Füllstoff befüllt werden, um das System gegen/vor Schwingungseinflüssen zu schützen.
Zusätzlich kann die Trägerplatte aber auch eine Beschichtung gegen Umwelteinflüsse aufweisen. Eine derartige Beschichtung kann speziell im Hinblick auf einen bestimmten Umweltfaktor optimiert sein.
Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor einer elektrischen Maschine mit zahlreichen, an seinem Außenumfang angebrachten Magnetmodulen, wie sie oben beschrieben sind, ausgestattet. Speziell kann dabei die Abdeckeinrichtung so ausgelegt und an der Trägerplatte befestigt sein, dass sie den wesentlichen Teil der Fliehkräfte des mindestens einen Permanentmagneten bei einer vorgegebenen Umdrehungszahl der elektrischen Maschine aufnehmen kann. Damit kann beispielsweise auf Bandagen verzichtet werden, die nur verhältnismäßig schwer auf die großen Rotoren entsprechender elektrischer Maschinen aufgebracht werden können.
Des Weiteren ist es günstig, wenn mehrere der Magnetmodule auf der Außenfläche des Rotors axial hintereinander angeord net sind. Hierdurch lässt sich insbesondere ein langer Rotor einfach mit Magneten bestücken.
Ferner können Magnetmodule auf dem Rotor in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch die Rastmomente reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetmodul;
2 eine Draufsicht auf das Magnetmodul von 1;
3 eine Draufsicht auf die Innenseite der Kappe vor der Montage der Magnete;
4 einen Querschnitt durch die Kappe von 3;
5 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine;
6 einen Ausschnitt aus 5;
7 einen Querschnitt durch das Magnetmodul von 6 und
8 einen axialen Längsschnitt durch das Magnetmodul von 6.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Das in 1 beispielhaft dargestellte Magnetmodul 1 besteht aus einer Kappe 2, die einem quaderförmigen Behälter mit 5 Wänden entspricht. Bei der Montage wird in die Kappe 2 ein oder mehrere Permanentmagnete 3 eingefügt. Anschließend wird eine Trägerplatte 4 aufgebracht und fest mit der Kappe 2 verbunden. Hierzu sind an der Trägerplatte 4 und an der Kappe 2 entsprechende Verbindungselemente 5 vorgesehen.
In 2 ist eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Magnetmoduls dargestellt, wobei die Trägerplatte 4 dort nicht aufgebracht ist. In die Kappe 2 sind hier zwei Permanentmagnete 3, 3' eingefügt. Diejenigen Stellen, an denen Verbindungselemente 5 zum Verbinden mit einer Trägerplatte vorgesehen sind, sind mit einem Pfeil wie auch in 1 gekennzeichnet.
3 zeigt eine Ansicht wie die von 2, jedoch mit entnommenen Magneten. Es ist ein Kleb- oder Füllstoff 6 an den Stellen aufgetragen, die in etwa den Mittelbereichen der noch einzusetzenden Magnete 3, 3' entsprechen. Die noch einzusetzenden Magnete 3, 3' sind in 3 gestrichelt symbolisiert.
Der Füllstoff 6 kann entsprechend 4, wenn er nicht ganzflächig in die Kappe 2 eingetragen wird, auch in den Kanten und Seitenwänden der Kappe 2 aufgetragen werden, so dass auch eine Fixierung der Permanentmagnete 3 in auf 1 bezogen horizontale Richtung erfolgt. Der Füllstoff 6 ist daher auch in den 1 und 2 jeweils zwischen der Kappe 2 und den Randseiten der Permanentmagnete 3, 3' zu erkennen.
Die Trägerplatte 4 zur Befestigung beispielsweise an einem Rotor einer elektrischen Maschine besteht aus einem elektrisch geeigneten Material und kann mit einer Beschichtung gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Als Material eignet sich beispielsweise ebenso wie für die Haube beziehungsweise Kappe 2 Stahl. Dadurch, dass die Kappe 2 mit der Trägerplatte 4 verbunden ist, dient sie als Fliehkraft-, Umwelteinfluss- oder Splitterschutz für die Permanentmagnete 3, 3'. Auch die Haube 2 und die Verbindungselemente 5 bestehen aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Metall oder Kunststoff. Als Kleb- oder Füllstoff 6 kann Harz oder ein anderer Klebstoff Verwendung finden.
In 5 ist ein Rotor 7 und ein Stator 8 einer permanentmagneterregten Maschine im Querschnitt dargestellt. Eine derartige Maschine wird beispielsweise als Generator in einer Windkraftanlage eingesetzt. Ihr Rotor besitzt typischerweise einen Durchmesser von 5 Metern.
In 6 ist ein Ausschnitt A aus 5 vergrößert widergegeben. Dort ist ein Magnetmodul 1 in eine entsprechende Vertiefung des Rotors 7 geschraubt. Konkret ist hier die Trägerplatte 4 an den Rotor 7 angeschraubt. Sie besitzt hierfür gemäß 7, die wie 1 das Magnetmodul im Querschnitt zeigt, ein Gewinde 9. In dieser 7 ist das Magnetmodul gegenüber der Darstellung von 1 auf dem Kopf stehend dargestellt. Diese Orientierung des Magnetmoduls 1 entspricht auch der von 6. Das Magnetmodul 1 zeigt nämlich in seinem eingebauten Zustand mit dem/den Permanentmagneten 3, 3' zum Ständer 8.
In 8 ist das Magnetmodul von 7 im Längsschnitt, d.h. in axialer Richtung der Maschine dargestellt. Die mit zwei Gewinden 9 ausgestattete Trägerplatte 4 trägt hier die zwei Permanentmagnete 3, 3'. Diese beiden Permanentmagnete 3, 3' sind durch einen Spalt 10 voneinander beabstandet. Der Spalt 10 kann zur besseren Fixierung der Permanentmagnete 3, 3' gegeneinander mit dem Füllstoff gefüllt werden.
Das in 8 dargestellte Magnetmodul besitzt für den bereits erwähnten Anwendungsfall in einer Windkraftanlage beispielsweise eine axiale Länge von 25 cm. Dementsprechend sind in den Rotor-Stator-Spalt in axialer Richtung entsprechend viele Magnetmodule einzufügen.
Eine graphisch nicht dargestellte Variante eines Rotors kann darin bestehen, dass die Magnetmodule in Umfangsrichtung auf dem Rotor asymmetrisch angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Abstände der Magnetmodule, wenn man axial auf das Polrad blickt, nicht äquidistant sind. Z.B. jedes n-te System (wobei die Polzahl n ganzzahlig teilbar sein muss) ist äquidistant und die Magnetmodule beziehungsweise Magnetsysteme dazwischen sind um einen bestimmten Winkel verschoben. Durch diese Asymmetrie wird das Rastmoment der elektrischen Maschine reduziert.
In dem oben geschilderten Beispiel ist die Trägerplatte 4 in etwa so dick wie die Permanentmagnete 3, 3'. Grundsätzlich kann jedoch das Verhältnis der Trägerplattendicke zur Magnetdicke beliebig gewählt werden. Gegebenenfalls ergeben sich aus der Trägerplatte 4 und der Kappe 2 für das Magnetmodul eine reine Hülse.
Das erfindungsgemäße Magnetmodul beziehungsweise ein damit ausgestatteter Rotor besitzt zahlreiche Vorteile. Ein Hauptvorteil besteht darin, dass eine Montage der Magnetmodule beziehungsweise Magnetsysteme im montierten Zustand der elektrischen Maschine erfolgen kann. Dies bedeutet, dass beispielsweise der Rotor in den Stator eingefahren ist und erst dann die Permanentmagnete beziehungsweise die Magnetmodule in den Spalt zwischen Rotor und Stator eingesteckt, eingeschoben und/oder eingeschraubt werden. Damit kann der unmagnetische Rotor zunächst in dem Stator gelagert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich beide kaum mehr trennbar aneinander anlagern. Es ist also bei der Montage von Rotor und Stator kein spezielles Transportsystem oder kein spezielles Vorrichtungsrohr vorzusehen, um den Rotor in den Stator einzubringen.
Auch der Austausch einzelner Magnetsysteme beziehungsweise Magnetmodule ist leicht handhabbar, ohne dass der gesamte Rotor aus der Maschine entnommen werden müsste. Dies ist insbesondere bei off-shore-Anwendungen von überragender Bedeutung.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bereits magnetisierten Magnetmodule eben wegen der Modularität Stück für Stück montiert werden können. Hierdurch kann der gesamte Magnetisierungsvorgang des Magnetsystems vereinfacht werden. Dies liegt daran, dass die Einzelsysteme, d.h. die einzelnen Magnetmodule ohne großen maschinellen Aufwand magnetisierbar sind. Müsste hingegen der Motor mit den darauf montierten Magnetmodulen nachträglich magnetisiert werden, so wäre hierfür eine spezielle Magnetisierungsanordnung notwendig.
Ein weiterer Vorteil der Magnetmodule besteht darin, dass die Rotoren sehr flexibel mit den Magnetmodulen bestückt werden können. Neben der asymmetrischen Anordnung ist es auch möglich, beliebige Pollücken zu schaffen, in die entsprechende Kühlsysteme eingebracht werden können.

Claims

Magnetmodul (1) für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine mit – einer Trägerplatte (4) zum Befestigen an dem Rotor (7) oder dem Stator (8) der elektrischen Maschine, – mindestens einem Permanentmagneten (3, 3'), der auf der Trägerplatte (4) angeordnet ist, und – einer Abdeckeinrichtung (2), mit der der mindestens eine Permanentmagnet (3, 3') auf der Trägerplatte (4) so befestigt ist, dass er sich zwischen der Trägerplatte (4) und der Abdeckeinrichtung (2) befindet.
Magnetmodul nach Anspruch 1, wobei die Abdeckeinrichtung (2) sämtliche nach außen gerichtete Flächen des mindestens einen Permanentmagneten (3, 3') abdeckt, die nicht von der Trägerplatte (4) abgedeckt sind.
Magnetmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abdeckeinrichtung (2) aus einer Stahlkappe besteht.
Magnetmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Permanentmagnet (3, 3') auf der Trägerplatte (4) und/oder an der Abdeckeinrichtung (2) durch ein Harz oder einen Klebstoff fixiert ist.
Magnetmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatte (4) eine Beschichtung gegen Umwelteinflüsse aufweist.
Rotor einer elektrischen Maschine mit zahlreichen, an seinem Außenumfang angebrachten Magnetmodulen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Rotor nach Anspruch 6, wobei die Abdeckeinrichtung (2) so ausgelegt und an der Trägerplatte (4) befestigt ist, dass sie den wesentlichen Teil der Fliehkräfte des mindestens einen Permanentmagneten (3, 3') bei einer vorgegebenen Umdrehungszahl der elektrischen Maschine aufnehmen kann.
Rotor nach Anspruch 6 oder 7, wobei mehrere der Magnetmodule (1) auf der Außenfläche des Rotors (7) axial hintereinander angeordnet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Magnetmodule (1) auf dem Rotor (7) in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnet sind.