DE102006061372A1

DE102006061372A1 - PM-Läufer mit radialen Kühlschlitzen und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102006061372A1
Application number: DE102006061372A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Jöckel; Thomas Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-26
Also published as: US20090289517A1; WO2008077855A1; CN101569077B; CN101569077A; US7948134B2; EP2104975A1

Abstract

Es soll ein konstruktiv einfacher Läufer mit hohem Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Deswegen wird ein Läufer vorgeschlagen, der aus mehreren Teilblechpaketen (20), die in axialer Richtung jeweils einen definierten Abstand voneinander besitzen, so dass radiale Kühlschlitze (22) gebildet sind, besteht. Permanentmagnete (24) sind in jedem der Teilblechpakete (20) in innen liegenden Taschen (23) angeordnet. Die Abmessung jedes Permanentmagneten (24) in axialer Richtung überschreitet die axiale Abmessung des jeweiligen Teilblechpakets (20) nicht oder nur unwesentlich. Beim Montieren lassen sich die Permanentmagnete (24) durch die innen liegenden Taschen (23) axial zum jeweiligen Teilblechpaket (20) schieben. Damit kann ein Läufer mit radialen Kühlschlitzen und innen liegenden Permanentmagneten realisiert werden, der einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer einer elektrischen Maschine mit mehreren Teilblechpaketen, die in axialer Richtung jeweils einen definierten Abstand voneinander besitzen, so dass radiale Kühlschlitze gebildet sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Läufers. Diese Läufer können in einem Motor aber insbesondere auch in einem Generator eingesetzt werden.
Schnelllaufende Windkraft-Generatoren sind heute durchwegs Schleifringläufer-Maschinen mit radialen Kühlschlitzen. Eine derartige Maschine ist in 1 in teilweise geschnittener Ansicht dargestellt. Der Generator 1 besitzt einen Läufer 2 mit einem axial segmentierten Blechpaket. Einzelne Teilblechpakete 3 sind auf einer Welle 4 zu dem Gesamtblechpaket zusammengefügt. Die einzelnen Teilblechpakete 3 sind voneinander definiert beabstandet, so dass sich radial ausgebildete Kühlschlitze 5 ergeben.
An dem der Antriebsseite gegenüberliegenden Ende ist die Welle 4 mit einer Schleifringeinheit 6 bestückt, um den generierten Strom abzugreifen. In der 1 sind die dazugehörigen Schleifringe 7 sowie die drei Doppelbürsten 8 zu erkennen.
Zur Kühlung ist auch der Ständer 9 des Generators 1 mit radialen Kühlschlitzen versehen. Die Wärmeabfuhr von dem Generator 1 erfolgt mit einem Luft-Luft-Wärmetauscher 10. Dieser bläst äußere Kühlluft 11 in axialer Richtung des Generators 1 durch Kühlstäbe 12 im Inneren des Wärmetauschers 10. Die Kühlluft im Inneren der Kühlstäbe 12 nimmt die Wärme des Generators 1 auf und transportiert sie am anderen Ende aus dem Wärmetauscher 10, was in 1 als erwärmte Abluft 13 eingezeichnet ist.
Der Innenraum des Generators 1 wird zusammen mit dem Innenraum des Luft-Luft-Wärmetauschers 10 für einen geschlossenen Kühlkreislauf 14 genutzt. Entsprechend diesem geschlossenen Kühlkreislauf wird kühle Luft axial in das Läuferblechpaket eingeblasen. Die Kühlluft durchströmt die radialen Kühlschlitze des Läufers 2 und des Ständers 9 und erwärmt sich dabei. Die erwärmte Luft strömt in den Wärmetauscher 10 und wird an den Kühlrohren 12 abgekühlt. Anschließend wird sie wieder zu dem Läufer 2 gefördert. Durch den geschlossenen Kühlkreislauf können Verschmutzungen des Generators beispielsweise durch Staub, Salzwasser etc. vermieden werden.
Des Weiteren sind auch PM-Maschinen (Permanentmagnet-Maschinen) mit innen liegenden Magneten bekannt. Die Permanentmagnete befinden sich dabei unterhalb der Mantelfläche des Läuferblechpakets in eigens dafür vorgesehenen Taschen. Die Permanentmagnete können bei der Montage axial in die jeweiligen Taschen eingeschoben werden. Problematisch bei diesen PM-Maschinen ist die wirksame Kühlung des Läufers.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen konstruktiv einfachen Läufer für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, der mit einem hohen Wirkungsgrad gekühlt werden kann.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen ein Läufer einer elektrischen Maschine mit mehreren Teilblechpaketen, die in axialer Richtung jeweils einen definierten Abstand voneinander besitzen, so dass radiale Kühlschlitze gebildet sind, und Permanentmagneten, die in jedem der Teilblechpakete in innen liegenden Taschen angeordnet sind, wobei die Abmessung jedes Permanentmagneten in axialer Richtung die axiale Abmessung des jeweiligen Teilblechpakets nicht oder nur unwesentlich überschreitet.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers durch Montieren der mehreren Teilblechpakete mit dem jeweils definierten Abstand aneinander und Einschieben der Permanentmagnete für ein erstes der Teilblechpakete durch die innen liegenden Taschen eines zweiten der Teilblechpakete hindurch in axialer Richtung in das erste Teilblechpaket.
In vorteilhafter Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Läufer die heutige Technologie des Kühlkonzepts beibehalten werden. Daher ist die für die Kühlung verwendete Luftmenge und der Strömungswiderstand gegenüber der in 1 dargestellten bekannten Maschine nahezu unverändert. Auch das Ständerdesign kann von der bekannten Maschine übernommen werden, so dass Verluste und Fertigungstechnologie bekannt sind. Als weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Läufers mit den innen liegenden Permanentmagneten und den radialen Kühlschlitzen sind der hohe Kühlwirkungsgrad, der hohe elektrische Wirkungsgrad, der hohe magnetische Fluss aber auch die sichere Befestigung der Magnete zu nennen.
Vorzugsweise besitzen die Permanentmagnete die gleiche axiale Abmessung wie das dazugehörige Teilblechpaket. Damit ragen die Permanentmagnete nicht in die radialen Kühlschlitze, die sich scheibenförmig um die Welle des Läufers radial nach außen erstrecken. Sie behindern damit den radial verlaufenden Kühlstrom nicht.
In Umfangsrichtung können mehrere Permanentmagnete je Pol eingesetzt sein. Dadurch lässt sich gegebenenfalls der magnetische Fluss erhöhen.
Darüber hinaus können die Permanentmagnete in den Taschen mit Harz vergossen werden. Hierdurch werden sie in den Taschen dauerhaft fixiert.
Speziell können die Permanentmagnete in ihren Taschen mit einem Vlies eingebettet sein. Insbesondere eignen sich hierfür vorgeformte Kästen aus komprimierbarem Vlies-Material. Alternativ kann aber auch in Umfangsrichtung seitlich neben einem Permanentmagneten zwischen dem Permanentmagneten und einer Innenwand der jeweiligen Tasche ein Vliesstreifen eingebracht sein. Diese sorgen dann speziell für eine Fixierung in Umfangsrichtung. Das Vliesmaterial lässt sich mit dem Harz tränken, wodurch das Harz in den Spalten zwischen Permanentmagnet und Blechpaket besser gehalten werden kann.
Bei der Fertigung des oben genannten Läufers lässt man die Permanentmagnete durch die eigene Magnetkraft in die jeweilige Montageendposition in der dazugehörigen Tasche rutschen. Dadurch justieren sich die Permanentmagnete bei der Montage innerhalb der Teilblechpakete selbst so, dass sie nicht in die radialen Kühlschlitze ragen.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Teilquerschnittsansicht eines Generators mit Luft-Luft-Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Draufsicht auf einen Läufer mit radialen Kühlschlitzen;
3 eine Stirnseitenansicht eines Teilblechpakets mit innen liegendem Permanentmagneten und
4 einen Ausschnitt von 2.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Entsprechend dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Läufer mit innen liegenden Permanentmagneten vorgeschlagen, der radiale Kühlschlitze aufweist. Bei einer derartigen Kombination von innen liegenden Magneten und radialen Kühlschlitzen sind folgende Vorgaben zu beachten:

– Bei der Magnetmontage müssen die axial von außen einzuschiebenden Magnete durch die Teilblechpakete des Läufers über die Kühlschlitze hinweg in ihre Position geschoben werden können.
– Innerhalb der jeweiligen Teilblechpakete müssen die Magnete zentriert „hängen" bleiben, bis das Vergussharz sie endgültig fixiert.
– Im Betrieb müssen die Magnete und das Harz sicher innerhalb der Teilblechpakete bleiben.
– Die Magnetplatten dürfen sich weder als Ganzes lösen noch dürfen Teile davon abbrechen und durch den radialen Kühlschlitz in den Luftspaltbereich wandern (Gefahr der Wicklungszerstörung).
– Beim Vergießen (günstigerweise ein Tauch-Imprägnieren) muss das Harz aus den radialen Kühlschlitzen wieder herauslaufen, aber in den Zehntel-Spalten zwischen Magnet und Teilblechpaket aufgrund der Kapillarwirkung verbleiben und dort aushärten.

Um diese Vorgaben zu erfüllen, wird entsprechend 2 ein Läufer aus mehreren Teilblechpaketen 20 gebildet. Die Teilblechpakete sind axial mithilfe entsprechender Stege 21 voneinander beabstandet. Dadurch ergeben sich radiale Kühlschlitze 22, die die Form von Scheiben besitzen.
In 3 ist die Stirnseitenansicht eines dieser Teilblechpakete 20 in einem Ausschnitt wiedergegeben. Es ist zu erkennen, dass unterhalb der Mantelfläche des Teilblechpakets 20 eine Tasche 23 für einen Permanentmagneten 24 vorgesehen ist. Der PM-Läufer bzw. jedes seiner Teilblechpakete 20 ist somit mit innen liegenden Permanentmagneten 24, also keinen Oberflächenmagneten, ausgestattet.
In Umfangsrichtung kann je Pol einer oder mehrere Permanentmagnete vorgesehen sein. Mit mehreren Permanentmagneten je Pol lässt sich unter Umständen der magnetische Fluss erhöhen.
In axialer Richtung besitzt die Magnetplatte bzw. der Magnet 24 exakt die gleiche Länge wie das Teilblechpaket 20. Gegebenenfalls sind in einer Tasche 23 mehrere Permanentmagnete in axialer Richtung hintereinander angeordnet, die zusammen die axiale Abmessung des Teilblechpakets besitzen. In jedem Fall ist dadurch gewährleistet, dass der bzw. die Magnete nicht in den radialen Lüftungsschlitz 22 ragen.
Bei der Fertigung werden die Magnete 24 axial von einer Seite oder von zwei Seiten (bei gestaffeltem Läufer) in die Taschen 23 eingeschoben. Für die axial innen liegenden Teilblechpakete werden die Magnete entsprechend durch die Taschen eines oder mehrerer Teilblechpakete hindurchgeschoben. Beim Einschieben gleiten die Magnete über die Kühlschlitze hinweg und werden aufgrund der Magnetkräfte immer genau in den Teilblechpaketen zentriert. Beim Bestücken des Läufers mit Permanentmagneten wird also die Eigenschaft der Permanentmagnete ausgenutzt, dass sie, um ihre magnetische Potenzialenergie zu minimieren, immer von Eisen oder einem anderen weichmagnetischen Material umschlossen sein wollen. Da die Magnete axial genauso lang sind wie das entsprechende Teilblechpaket (z. B. 50 mm) und etwas länger als die axiale Breite der Kühlschlitze 22, führt dies dazu, dass sie sich beim axialen Einschieben über den Kühlschlitz hinwegschieben lassen, dann aber zentriert im jeweiligen Teilblechpaket hängen bleiben. Damit ist sowohl die Magnetmontage in einfacher Weise realisierbar als auch im Betrieb die Grundlage für ein sicheres Verbleiben der Magnete im Teilblechpaket gelegt.
Aus Sicherheitsgründen werden die Magnete jedoch zusätzlich beispielsweise mit Harz in den Taschen 23 fixiert. Entsprechend einer ersten Ausführungsform wird der Läufer hierzu wie ein Schleifringläufer in das Harz getaucht. Nach dem Herausziehen läuft das Harz aus den großen Schlitzen wieder heraus und gibt damit die Luftschlitze bzw. Kühlschlitze frei. In den Zehntel-Spalten zwischen Magnet und Blech bleibt das Harz dagegen hängen und wird anschließend rotierend ausgehärtet. Diese Ausführungsform ist in den Figuren nicht dargestellt.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform, die in 3 wiedergegeben ist, besitzen die Magnettaschen 23 jeweils seitli che Aussparungen 25, durch die vor der Harz-Imprägnierung jeweils ein durchgehender Vlies-Streifen 26 geschoben wird. Der gesamte Läufer wird abschließend mit Harz imprägniert. Dies kann entweder durch Tauchen, Rollen oder einen VPI-Prozess erfolgen. Dabei binden die Vlies-Streifen das Harz und sorgen so für eine feste seitliche Anlage und Fixierung der Magnetplatte im Inneren des jeweiligen Teilblechpakets. Die Vliesstreifen 26 quellen beim Imprägnieren außerhalb des Teilblechpakets 20, also im Kühlschlitz 22, auf und fixieren nach dem Aushärten die Magnetplatte 24 axial durch Formschluss.
Dieses Herausragen des Vliesstreifens 26 aus dem Teilblechpaket 20 kann in dem vergrößerten Abschnitt, der in 4 dargestellt ist, gut erkannt werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform können für ein einfacheres Einschieben und eine verbesserte Haftung des Harzes im Betrieb die Magnettaschen mit vorgeformten Kästen aus komprimierbarem Vlies-Material versehen werden. Damit die Kästen formstabil sind, bestehen sie außen aus einem festen Material. Als Vlies-Material kann beispielsweise ein VVL-Vlies verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, die beiden grundlegenden Konstruktionsprinzipien „Aktivteil mit radialen Kühlschlitzen" und „Innen im Läuferblechpaket liegende Permanentmagnete" zu kombinieren. Dies ist für eine Anwendung der PM-Läufer auch bei sehr großen „modularen" Maschinen oder Windkraftgeneratoren grundlegend wichtig. Außerdem ergeben sich folgende Vorteile, die teilweise bereits angedeutet wurden:

– Das klassische Kühlprinzip großer luftgekühlter Maschinen (x-Belüftung, z-Belüftung) kann beibehalten werden.
– Die kalte Kühlluft wird zuerst durch den PM-Läufer geführt.
Daraus resultiert nicht nur ein „kalter" Läufer, sondern auch eine sichere Magnetfixierung, ein hoher magnetischer Fluss und ein hoher Wirkungsgrad.
– Das Harzimprägnierungsverfahren (Tauchen und rotierende Aushärtung) des PM-Läufers kann komplett von Schleifringläufern übernommen werden.
– Ein Harz-Verguss-Prozess mit senkrecht stehendem Läufer kann entfallen.
– Es kann eine sehr gute Belüftung des Ständers gewährleistet werden, da im Vergleich zum Asynchronläufer mehr Luft durch die Kühlschlitze geführt werden kann, denn es befinden sich keine Kupferspulen oder -stäbe in der Strömung.
– Schließlich kann auch eine sehr gute Kühlung des Ständers gewährleistet werden, da im Vergleich zum Asynchronläufer die Luft sehr kalt aus dem Läufer kommt, denn der PM-Läufer hat nur verhältnismäßig geringe Verluste.

Eine derartige elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Läufer eignet sich insbesondere für Windkraftanlagen als Generator und als modular aufgebaute elektrische Maschine für industriellen Einsatz.
Für den modularen Aufbau eignen sich insbesondere die Kühlmodule mit x- oder z-Belüftung.

Claims

Läufer einer elektrischen Maschine mit – mehreren Teilblechpaketen (3, 20), die in axialer Richtung jeweils einen definierten Abstand voneinander besitzen, so dass radiale Kühlschlitze (5, 22) gebildet sind, gekennzeichnet durch – Permanentmagnete (24), die in jedem der Teilblechpakete (3, 20) in innen liegenden Taschen (23) angeordnet sind, wobei – die Abmessung jedes Permanentmagneten (24) in axialer Richtung die axiale Abmessung des jeweiligen Teilblechpakets (3, 20) nicht oder nur unwesentlich überschreitet.
Läufer nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete (24) die gleiche axiale Abmessung besitzen wie das dazugehörige Teilblechpaket (3, 20).
Läufer nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Umfangsrichtung mehrere Permanentmagnete (24) je Pol eingesetzt sind.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (24) in den Taschen (23) mit Harz vergossen sind.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (24) in ihren Taschen (23) mit einem Vlies eingebettet sind.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Umfangsrichtung seitlich neben einem Permanentmagneten (24) zwischen dem Permanentmagnet (24) und einer Innenwand der jeweiligen Tasche (23) ein Vliesstreifen (26) eingebracht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Läufers nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch – Montieren der mehreren Teilblechpakete (3, 20) mit dem jeweils definierten Abstand aneinander und – Einschieben der Permanentmagnete (24) für ein erstes der Teilblechpakete (3, 20) durch die innen liegenden Taschen (23) eines zweiten der Teilblechpakete (3, 20) hindurch in axialer Richtung in das erste Teilblechpaket.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Permanentmagnete (24) durch die eigene Magnetkraft in die jeweilige Magnetendposition in der dazugehörigen Tasche (23) rutschen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Permanentmagnete (24) in den Taschen (23) mit Harz vergossen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Permanentmagnete (24) in ihren Taschen (23) mit einem Vlies eingebettet werden, bevor sie mit dem Harz vergossen werden.
Elektrische Maschine mit einem Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 11, bei Windkraftanlagen oder modular aufgebauten Industrieantrieben.