DE102007006986B3 - Rotor for fast running electrical machine of higher dynamics, has base body, which is formed as hollow shaft made of fiber reinforced plastic is arranged between bearing seats - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine schnell laufende elektrische Maschine, wie beispielsweise einen Motor und Generator, welcher aufgrund seiner Konstruktion für hohe Drehzahlen einsetzbar ist. Derartige Rotoren werden auch als Hochgeschwindigkeitsläufer bezeichnet.The The invention relates to a rotor for a high-speed electric machine, such as a Motor and generator, which due to its construction for high speeds can be used. Such rotors are also referred to as high-speed rotor.
Ebenfalls betrifft die Erfindung elektrische Maschinen, die durch die leichte Bauweise und das geringe Massenträgheitsmoment ein besonders gutes dynamisches Verhalten bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen aufweisen.Also The invention relates to electrical machines by the light Construction and the low moment of inertia a special have good dynamic behavior during acceleration and braking.
Gattungsgemäße Rotoren sind aufgrund der hohen Drehzahlen bzw. der hohen Dynamik besonderen Belastungen ausgesetzt. Um diese Belastungen zu vermindern, existiert in der Technik die Bemühung, möglichst leichte Rotoren zu entwickeln. Somit werden bereits Rotoren aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien eingesetzt.Generic rotors are special due to the high speeds and the high dynamics Exposed to stress. To lessen these burdens exists in the art the effort preferably develop lightweight rotors. Thus rotors are already out fiber reinforced Plastic materials used.
Beispielsweise
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Nach
der
Aus
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Weiterhin
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Rotor für schnell laufende elektrische Maschinen auszubilden, welcher den extrem hohen Belastungen bei großen Drehzahlen mechanisch gewachsen ist, welcher gleichfalls von leichter Bauart ist und der darüber hinaus effizient kühlbar ist.The The object of the invention is now a rotor for fast to train running electrical machines, which the extremely high loads at big Speeds grown mechanically, which also lighter Design is and the above In addition, efficiently coolable is.
Die Aufgabe wird durch einen Rotor für schnell laufende elektrische Maschinen und Maschinen hoher Dynamik gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass ein als Hohlwelle ausgebildeter Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff zwischen Lagersitzen vorgesehen ist und dass mindestens ein Blechpaket und Magnete sowie eine Bandage in radialer Richtung auf dem Grundkörper angeordnet sind, wobei der Grundkörper im Bereich der Anordnung der Blechpakete eine mit den Blechpaketen korrespondierende formschlüssige Kontur aufweist und, dass zwischen Grundkörper und Blechpaket Kühlkanäle vorgesehen sind. Im Grundkörper sind radiale Kühlluftbohrungen angeordnet, die den Hohlraum des Grundkörpers mit den Kühlkanälen verbinden.The Task is done by a rotor for fast current electrical machines and machines of high dynamics solved which characterized in that a designed as a hollow shaft body made fiber reinforced Plastic is provided between bearing seats and that at least a laminated core and magnets and a bandage in the radial direction on the body are arranged, wherein the base body in the region of the arrangement the laminated cores one with the laminated cores corresponding positive contour has and that provided between the main body and laminated core cooling channels are. In the body are radial cooling air holes arranged, which connect the cavity of the body with the cooling channels.
Besonders vorteilhaft wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die formschlüssige Kontur im Querschnitt als Polygon ausgebildet ist.Especially Advantageously, the object is achieved in that the positive contour is formed in cross-section as a polygon.
Um die Rotorkonstruktion thermisch zu entlasten, sind zwischen dem Grundkörper und dem Bleckpaket die Kühlkanäle vorgesehen.Around thermally relieving the rotor construction are between the body and the Bleckpaket provided the cooling channels.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Kühlkanäle in den Ecken des gemeinsamen polygonalen Querschnittes von Blechpaket und Grundkörper angeordnet sind. Eine effiziente Gestaltung der Kühlung wird dadurch erreicht, dass im Grundkörper Kühlluftbohrungen radial angeordnet sind, die den Hohlrahmen des Grundkörpers mit den Kühlkanälen verbinden, wodurch ein Transport, beispielsweise von kühlender Luft, über die Hohlwelle radial nach außen erfolgen kann.Farther It is advantageous if the cooling channels in the Corners of the common polygonal cross-section of laminated core and body are arranged. An efficient design of the cooling will achieved in that in the body Cooling air holes are arranged radially, which the hollow frame of the body with connect the cooling channels, whereby a transport, for example, of cooling air over the Hollow shaft radially outward can be done.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung zwischen Blechpaket (magnetischer Rückschluss) und Grundkörper als eine Schrumpfverbindung ausgeführt, welche noch dadurch verbessert ist, dass zusätzlich eine Klebeverbindung ausgeführt wird.According to a further embodiment of the invention, the connection between the laminated core (magnetic return) and the base body as a Performed shrinking, which is further improved by the fact that an additional adhesive bond is performed.
Besonders steif und gleichzeitig leicht ist eine Konstruktion, bei welcher der Grundkörper aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, auch CFK genannt, ausgeführt ist.Especially stiff and light at the same time is a construction in which the main body made of carbon fiber reinforced Plastic, also called CFK, is executed.
Die Erfindung wird in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Wälzlager des Rotors auf metallische Lagersitze montiert werden, welche über eine Kombination aus Schrumpfverbindung und Klebeverbindung mit dem Grundkörper aus CFK verbunden sind. Die Schrumpfklebung der Lagersitze erfolgt mit einem geringen Übermaß. Damit verbunden sind die Erhöhung der Tangentialsteifigkeit und die Verringerung des Relaxationsvermögens des faserverstärkten Rotors in diesen Bereichen durch Umfangslagen mit einer Faserorientierung von 90°.The Invention is advantageously further developed in that the rolling bearings of the rotor are mounted on metallic bearing seats, which have a Combination of shrink connection and adhesive bond with the main body CFK are connected. The shrink bonding of the bearing seats takes place with a small excess. In order to connected are the increase the tangential stiffness and the relaxation factor of the fiber reinforced rotor in these areas by circumferential layers with a fiber orientation of 90 °.
Die Lagersitze können nach ihrer Montage auf dem Grundkörper spanend endbearbeitet werden, wodurch außerordentlich gute Genauigkeiten und Rundlaufeigenschaften erreicht werden können.The Bearing seats can finished after their assembly on the body machining which are extraordinary good accuracy and concentricity can be achieved.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein metallisches Insert für die Weiterleitung des Drehmoments verwendet. Das Insert wird bereits im Herstellungsprozess des CFK-Grundkörpers mit diesem verbunden. Hierzu wird das metallische Insert an seiner Mantelfläche über ein speziell entwickeltes Verfahren mit Noppen versehen. Die Noppen dienen der formschlüssigen Verbindung mit dem faserverstärkten Kunststoff. Die Noppen sind definiert in Abstand und Orientierung angeordnet, so dass eine sichere und geradlinige Ablage der Verstärkungsfasern in die Zwischenräume der Noppen im Wickelprozess möglich ist.To An advantageous development of the invention is a metallic Insert for the forwarding of the torque used. The insert is already working in the manufacturing process of the CFRP basic body connected to this. For this purpose, the metallic insert on its lateral surface over a specially developed method with nubs. The pimples serve the positive Connection with the fiber reinforced Plastic. The nubs are defined in distance and orientation arranged so that a secure and straight-line storage of the reinforcing fibers in the interstices the nubs in the winding process possible is.
Die Weiterleitung des Drehmoments erfolgt durch eine Innenverzahnung, welche der Übertragung auf eine angeschlossene Welle dient. Zur Verringerung des Steifigkeitssprunges ist der Querschnitt des Inserts verjüngt ausgeführt.The Forwarding of the torque takes place by an internal toothing, which of the transmission on a connected shaft is used. To reduce the jump in stiffness the cross-section of the insert is tapered.
Die vorgesehene Zentrierfase ermöglicht die sichere spanende Bearbeitung des Rotors auf Werkzeugmaschinen (Dreh-, Fräs-, Schleifmaschinen). Die Drehmomentübertragung von der Fräsmaschine auf den Rotor erfolgt über Nuten in der Stirnfläche des Inserts. Das Fügen des Abtriebsinserts erfolgt bereits im Wickelprozess, so dass eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen der Lagerhülse und dem Grundkörper entsteht. Der Wickelkern wird geteilt ausgeführt, um das Entformen zu ermöglichen.The provided Zentrierfase allows safe machining of the rotor on machine tools (Turning, milling, Grinding machines). The torque transmission from the milling machine on the rotor is over Grooves in the face of the Inserts. The joining the output insert is already in the winding process, so that a positive and cohesive Connection between the bearing sleeve and the main body arises. The winding core is made split to allow demolding.
Das Verfahren zur Herstellung der Noppen auf dem Insert basiert darauf, dass Nuten mittels einer Zahnradfräsmaschine und einem geeigneten Fräser mit Schrägungswinkeln von 45° und –45° gefräst werden. Durch die beiden entgegengesetzten Nutungen entstehen auf sehr effiziente und kostengünstige Weise die Noppen.The Method of making the nubs on the insert based on that grooves by means of a gear milling machine and a suitable cutter with helix angles be milled from 45 ° and -45 °. Due to the two opposite groovings arise on very efficient and cost-effective Way the pimples.
Die Konzeption der Erfindung beinhaltet die Kombination verschiedener Einzelelemente, welche in dem erfindungsgemäßen Rotor eine einheitliche Ausprägung finden.The Concept of the invention involves the combination of various Individual elements which find a uniform expression in the rotor according to the invention.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konzeption besteht darin, dass ein optimierter Lagenaufbau im faserverstärkten Kunststoffrotor eingesetzt wird. Die Faserorientierung ist für hohe Axial- und Torsionssteifigkeit ausgelegt. Dies wird nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichbar, dass verschiedene Kohlenstofffasern in einem Bauteil eingesetzt werden. Zur Erzielung einer hohen Längssteifigkeit werden so genannte „Ultra-High-Modulus-Fasern" (UHM-Fasern) für die längsorientierten Faserlagen verwendet. Für die Torsionssteifigkeit und -festigkeit werden Standard-Kohlenstofffasern in 45°-Orientierung verwendet.A advantageous embodiment of the inventive concept is that an optimized layer structure used in the fiber-reinforced plastic rotor becomes. The fiber orientation is for high axial and torsional rigidity designed. This is according to a particular embodiment of the invention achievable by having different carbon fibers in one Component be used. To achieve a high longitudinal stiffness are called "ultra high modulus fibers" (UHM fibers) for the longitudinally oriented Fiber layers used. For the torsional stiffness and strength become standard carbon fibers in 45 ° orientation used.
Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Rotoreigenschaften besteht darin, dass eine optimierte Querschnittsgeometrie des Blechpakets eingesetzt wird. Diese besteht darin, dass ein Ausdünnen der Bleche in Bereichen mit geringem magnetischem Fluss erfolgt, wodurch zum einen die Ausbildung von Kühlkanälen zwischen dem faserverstärkten Rohr und dem Blechpaket möglich ist sowie zum anderen eine Einsparung von Masse erreicht wird. Dies wirkt sich positiv auf die erreichbare biegekritische Drehzahl aus.One Another approach to improve the rotor properties in that an optimized cross-sectional geometry of the laminated core is used. This is that a thinning of the Sheets are made in areas of low magnetic flux, causing on the one hand the formation of cooling channels between the fiber reinforced Pipe and the laminated core possible and on the other hand a saving of mass is achieved. This has a positive effect on the achievable bending-critical speed.
Ein weiterer Ansatz, welcher in der erfindungsgemäßen Konzeption verwirklicht wird, besteht darin, dass eine Kühlung des Blechpakets mittels in den Rotor eingeblasener Luft erfolgt. Diese gelangt über die Hohlwelle über Radialbohrungen im faserverstärkten Rohr in die Kühlkanäle, die sich zwischen dem faserverstärkten Rohr und dem Blechpaket befinden.One Another approach, which is realized in the inventive concept is, is that a cooling the laminated core takes place by means of air blown into the rotor. This gets over the hollow shaft over Radial bores in fiber reinforced Pipe in the cooling channels, the yourself between the fiber reinforced Tube and the laminated core are.
Die hohen Anforderungen in Bezug auf Steifigkeit, Festigkeit, Genauigkeit und Rundlauf an schnell drehende Rotoren werden dadurch erreicht, dass eine sichere und zentriergenaue Verbindung zwischen Blechpaket und faserverstärktem Rohr durch eine formschlüssige Verbindung realisiert wird. Besonders vorteilhaft wird diese noch dadurch verbessert, dass sie mit einer leichten Schrumpfpassung und Klebung kombiniert ist.The high requirements in terms of stiffness, strength, accuracy and concentricity to fast rotating rotors are achieved by that a secure and centering connection between laminated core and fiber reinforced Pipe through a form-fitting Connection is realized. This is especially advantageous thereby improving it with a slight shrink fit and bonding is combined.
Den Problemen infolge thermischer Ausdehnung wird konstruktiv dadurch entgegengewirkt, dass das Blechpaket und das faserverstärkte Rohr in mehrere Einzelabschnitte unterteilt werden, was zu einer Verkleinerung der Verbindungsbelastung infolge thermischer Ausdehnung zwischen Blechpaket und faserverstärktem Rohr führt. Gleichzeitig wird dadurch der Fügevorgang vereinfacht.The problems due to thermal expansion is structurally counteracted by the fact that the laminated core and the fiber-reinforced tube in meh rere individual sections are divided, resulting in a reduction of the connection load due to thermal expansion between laminated core and fiber reinforced pipe. At the same time the joining process is simplified.
Die erfindungsgemäße Lösung weist eine Reihe von besonders hervorzuhebenden Vorteilen auf.The inventive solution has a number of special advantages.
Als allgemeine Vorteile der Bauweise sind zu nennen, dass eine besonders hohe biegekritische Drehzahl trotz des relativ großen Lagerabstandes aufgrund der hohen Axialsteifigkeit des erfindungsgemäßen Rotors und der geringen Eigenmasse des faserverstärkten Kunststoffes, insbesondere des CFK-Rotors, erreichbar ist.When general advantages of the construction method are to be called that a particularly high bending-critical speed despite the relatively large bearing distance due the high axial stiffness of the rotor according to the invention and the low Net weight of the fiber reinforced Plastic, especially the CFRP rotor, can be reached.
Weiterhin wird ein sehr kleines Massenträgheitsmoment aufgrund kleiner Durchmesser und der geringen Dichte des für den Rotor verwendeten faserverstärkten Kunststoffs erreicht. Dies begünstigt die hohe Dynamik des Rotors in der elektrischen Maschine. Gemäß der Konzeption der Erfindung werden Metalle nur in den Bereichen eingesetzt, in denen der Kunststoff aufgrund seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften nicht in der Lage ist, die geforderten Funktionen zu erfüllen. Dies betrifft Bereiche für den magnetischen Rückschluss, die Lagersitze und den mechanischen Abtrieb. Das geringe Massenträgheitsmoment führt zu einem hohen Beschleunigungsvermögen einer als Motor oder Generator betriebenen elektrischen Maschine.Farther becomes a very small mass moment of inertia due to small diameter and low density of the rotor used fiber reinforced Plastic achieved. This favors the high dynamics of the rotor in the electric machine. According to the concept The invention uses metals only in the areas in which the plastic due to its physical and mechanical Properties is unable to perform the required functions to fulfill. This concerns areas for the magnetic inference, the bearing seats and the mechanical downforce. The low moment of inertia leads to a high acceleration capacity a powered as a motor or generator electric machine.
Ein weiterer besonders hervorzuhebender Vorteil ist, dass der Rotor eine besonders geringe Masse aufweist, was dadurch erreichbar ist, dass konsequent faserverstärkter Kunststoff eingesetzt wird. Die geringere Masse macht sich insbesondere im Falle eines mobilen Einsatzes des Elektromotors/generators als Fahrzeugantrieb oder Ähnliches positiv bemerkbar.One Another particular advantage to be highlighted is that the rotor having a particularly low mass, which is achievable thereby, that consistently fiber reinforced Plastic is used. The lower mass is especially in the Case of mobile use of the electric motor / generator as a vehicle drive or something like that noticeable.
Weiterhin ist im Vergleich zu Konstruktionen, die ohne Blechpakete arbeiten, auch eine Verringerung der Wirbelströme und damit eine Verringerung des Wärmeeintrags in den Rotor durch den geblechten Rückschluss erreichbar. Vorteile bezüglich der genannten vergleichbaren Konstruktionen bestehen auch in der geringeren Masse und dem kleineren Massenträgheitsmoment. Ebenso kann auf die Verwendung von teuren Metallen, wie Titan, verzichtet werden, welches nicht nur sehr kostenintensiv, sondern auch sehr schwer zu bearbeiten ist und einen vergleichsweise geringen Elastizitätsmodul aufweist.Farther is compared to designs that work without laminated cores, also a reduction of the eddy currents and thus a reduction of the heat input reachable in the rotor through the lathed conclusion. advantages in terms of The above-mentioned comparable constructions also exist in the lower mass and the smaller moment of inertia. Likewise, on the use of expensive metals, such as titanium, are dispensed with, which is not only very expensive, but also very difficult is to be processed and a relatively low modulus of elasticity having.
Das Herstellungsverfahren der Noppen für die formschlüssige Verbindung zwischen CFK-Rohr und Insert mittels einer Zahnradfräsmaschine ist besonders vorteilhaft, da es kein weiteres Verfahren gibt, welches derartige komplizierte Geometrien so schnell, effizient und somit kostengünstig herstellen kann.The Production method of the knobs for the positive connection between CFRP pipe and insert by means of a gear milling machine is particularly advantageous because there is no other method which Such complicated geometries so fast, efficient and thus economical can produce.
Die Herstellung der Einzelteile und die Montage der gesamten Baugruppe sind in besonders vorteilhafter Weise mit konventionellen Fertigungsmethoden möglich. Es kommen übliche Verfahren, wie Wickeln, Drehen, Fräsen, Schleifen und Kleben, zum Einsatz. Besonders hervorzuheben ist, dass die erforderlichen Genauigkeiten für schnell drehende Bauteile mit der beschriebenen Bauweise realisierbar sind.The Production of individual parts and assembly of the entire assembly are in a particularly advantageous manner with conventional manufacturing methods possible. There are usual Processes such as winding, turning, milling, grinding and gluing, for use. Particularly noteworthy is that the required Accuracies for fast rotating components with the described construction feasible are.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference on the associated Drawings. Show it:
In
Das
metallische Insert
Das
metallische Wellenende
In
Dies
erfolgt beispielsweise durch ein Beschleifen oder Fräsen des
Grundkörpers
Die
am Umfang verteilten ebenen Anlageflächen auf dem Grundkörper
Mit
einer Reinklebung in der Größenordnung von
0,1 bis 0,5 mm Klebespalt ist die erforderliche Genauigkeit nicht
zu gewährleisten.
Mit einem Pressverband an einem runden Bauteil ohne Formschluss, der
auch eine sehr gute Zentrierung bewirken würde, kann wiederum das Drehmoment
nicht übertragen werden.
Das in Umfangsrichtung relativ weiche CFK-Rohr
Die
Bleche bzw. das Blechpaket
Die
Noppen
Für die Herstellung
der Noppen
In
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