DE102009018513B4

DE102009018513B4 - Elektromotor, insbesondere fremderregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102009018513B4
Application number: DE102009018513.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Nestler Helmut; Hubert Ermel; Thomas Leichter; Leobald Podbielski; Josef Schmidt; Sven Tesch; Torsten Epskamp
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2023-07-13
Anticipated expiration: 2029-04-25
Also published as: DE102009018513A1

Abstract

Elektromotor,
umfassend zumindest eine Rotorwelle und eine Sekundärspule, die eine Sekundärwicklung umfasst,
wobei in einem ersten axialen Bereich der Rotorwelle ein Rotorblechpaket (3) und in einem zweiten axialen Bereich der Rotorwelle die Sekundärwicklung angeordnet ist,
wobei axial zwischen dem ersten und zweiten Bereich Mittel zur magnetischen Abschirmung angeordnet sind,
wobei zur magnetischen Abschirmung ein Blech radial außerhalb eines ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet ist,
wobei zur magnetischen Abschirmung zumindest ein Rotorwellenabschnitt (1, 8) radial innerhalb des ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet ist, wobei der Rotorwellenabschnitt (1, 8) aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist,
wobei zur magnetischen Abschirmung die Rotorwelle aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist,
wobei der Aufnahmebereich für Elektronik auf kleinerem Radialabstand als der Aufnahmebereich für Sekundärspule angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine.
Es ist bekannt einen Elektromotor als fremderregte Synchronmaschine auszuführen, bei der die Erregerwicklung auf dem Rotor mit unipolarem Strom beaufschlagt wird.
Aus der WO 2007/036430 A1 ist ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung an supraleitende Erregerspulen einer elektrischen Maschine bekannt.
Aus der JP 2008-160909 A ist ein Detektor mit eingebautem Motor bekannt.
Aus der US 3 252 076 A ist ein Wechselstrommotor bekannt.
Aus der US 6 483 218 B1 ist ein bürstenloser Übertrager für eine elektrische Maschine bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kompakten Motor aufzubauen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Motor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Motor sind, dass er ein Elektromotor ist, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend zumindest eine Rotorwelle,
wobei in einem ersten axialen Bereich der Rotorwelle ein Rotorblechpaket und in einem zweiten axialen Bereich der Rotorwelle eine Sekundärwicklung angeordnet ist,
wobei
axial zwischen dem ersten und zweiten Bereich Mittel zur magnetischen Abschirmung angeordnet sind.
Von Vorteil ist dabei, dass die Erregerwicklung störungsfrei versorgbar ist.
Erfindungsgemäß ist zur magnetischen Abschirmung ein Blech, insbesondere ein Stahlblech oder Dynamoblech, radial außerhalb eines ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Abschirmung in einfacher Weise ausführbar ist.
Erfindungsgemäß ist zur magnetischen Abschirmung zumindest ein Rotorwellenabschnitt radial innerhalb des ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet, wobei der Rotorwellenabschnitt aus einem Material, insbesondere aus einem Edelstahl, gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Abschirmung durch die sowieso vorhandene Rotorwelle ermöglicht ist. Dabei muss sogar nur ein Abschnitt der Rotorwelle aus dem abschirmenden Material gefertigt sein. Somit ist auch das Trägheitsmoment reduzierbar, da ein eventuell verwendeter Edelstahl schwerer ist als i ein für den anderen Rotorwellenabschnitt verwendeter Stahl, der eine relative Permeabilität von mehr als 500 oder gar mehr als 1000 aufweist.
Erfindungsgemäß ist zur magnetischen Abschirmung die Rotorwelle aus einem Material, insbesondere aus einem Edelstahl, gefertigt, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist. ) Von Vorteil ist dabei, dass die gesamte Welle in einfacher Weise einstückig herstellbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Blech an der Rotorwelle direkt befestigt, insbesondere kraftschlüssig befestigt, oder das Blech an einem Aufnahmeteil befestigt, das mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise eine Abschirmung erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Aufnahmeteil aus Aluminium. Von Vorteil ist dabei, dass eine Abschirmung hochfrequenter Felder in einfacher Weise ausgeführt ist und gleichzeitig die Haltefunktion für die Spule und das Blech ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Aufnahmeteil einen Aufnahmebereich für Elektronik und einen Aufnahmebereich für Sekundärspule auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme vom Aufnahmeteil aufnehmbar, eine mechanische Haltefunktion für Spule und Elektronik ausführbar, eine Abschirmung von Felder erreichbar ist und kein zusätzlicher Bauraum für die Elektronik notwendig ist.
Erfindungsgemäß ist der Aufnahmebereich für Elektronik auf kleinerem Radialabstand als der Aufnahmebereich für Sekundärspule angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass kein axialer Bauraum für die Elektronik zusätzlich notwendig ist. Außerdem ist die Ringspule radial entsprechend ausgedehnt vorsehbar, wodurch hohe Leistungen auf geringem Bauvolumen übertragbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Sekundärspule eine Sekundärwicklung, die zumindest teilweise von einem Spulenkern umgeben ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein geringes Trägheitsmoment am gesamten Rotor erreichbar ist, wenn die Sekundärspule sozusagen in eine Ringnut oder ringförmige Ausnehmung des Ferritkörpers eingesenkt vorsehbar ist. Denn der Ferritkörper muss sich nur über einen geringen Radialbereich erstrecken.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spulenkern aus Ferritmaterial oder Eisenpulver gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstiges Material verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung stehen Primärwicklung und Sekundärwicklung sich axial oder radial gegenüber. Von Vorteil ist dabei, dass bei axialer Beabstandung eine geringe radiale Ausdehnung notwendig ist und bei radialer Beabstandung ein geringer axialer Bauraum notwendig ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind axial zwischen den Lagern der Rotorwelle das Rotorblechpaket und die Sekundärwicklung angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Abführung und Durchleitung der wesentlichen Teile des erzeugten Drehmoments an einem der Lager ausführbar ist, das von der Sekundärspule abgewandt ist. Die Lagerung des der Sekundärwelle nächstbenachbarten Rotorwellenabschnittes hingegen ist mit demjenigen Lager ausführbar, das geringer belastet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Wärme der Elektronik im Wesentlichen über das Aufnahmeteil und/oder das Blech an die Umgebung des Rotors und/oder an die Rotorwelle abgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine effiziente Entwärmung über metallische, also gut wärmeleitende Teile ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Aufnahmeteil in Umfangrichtung formschlüssig, insbesondere mittels Passfederverbindung, oder kraftschlüssig mit der Rotorwelle verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache kostengünstige Verbindungstechnik ausreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rotorwelle aus zwei verbundenen Rotorwellenabschnitten zusammengesetzt ist, insbesondere reibgeschweißt verbunden,
insbesondere wobei einer der Rotorwellenabschnitte aus einem Material, insbesondere aus einem Edelstahl, gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist, und dieser Abschnitt im axialen Bereich des Aufnahmeteils angeordnet ist oder diesen Bereich zumindest teilweise umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass Kosten einsparbar sind. Außerdem ist das Trägheitsmoment vermindert, da der Edelstahl eine größere dichte als der einfache höher permeable Stahl ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein drehbar lagerbarer Teil eines erfindungsgemäßen fremderregten Synchronmotors in Schnittansicht gezeigt.
In 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht gezeigt, wobei die Schnittebene 21 gekennzeichnet ist, aus der sich die 1 ergibt.

Erfindungsgemäß ist der Elektromotor als fremderregte Synchronmaschine ausgeführt, deren Erregerwicklung 20 um Zähne des Rotorblechpakets 3 vorgesehen ist. Die Wicklung 20 ist mit Vergussmasse 2 vergossen und am radial äußeren Umfang vorzugsweise mit einer Hülse aus glasfaserverstärktem Kunststoff umgeben zur Ermöglichung sehr hoher Drehzahlen.
Das Rotorblechpaket 3 ist auf einem ersten Rotorwellenabschnitt 1 vorgesehen, das mit einem axial weitere Rotorwellenabschnitt 8 die Rotorwelle bildet.
Im Bereich des Rotorwellenabschnitts 8 ist eine Sekundärwicklung vorgesehen, die als Ringwicklung 6 ausgeführt ist.
Dieser axial gegenüberstehend ist eine in den Figuren nicht gezeigte Primärwicklung angeordnet, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird. Der an der Sekundärwicklung bewirkte Wechselstrom wird einem Gleichrichter zugeführt, so dass der dort erzeugte Gleichstrom der Erregerwicklung zuführbar ist.
Die zugehörige elektronische Schaltung ist im Raumbereich 7 für elektronische Schaltung angeordnet.
Das vorzugsweise aus Aluminium ausgeführte Aufnahmeteil 9 ist im axialen Bereich des Rotorwellenabschnitts 8 angeordnet.
Die Rotorwelle ist aus den Rotorwellenabschnitten 1 und 8 zusammengesetzt und in einer ersten Ausführungsart einstückig ausgeführt. Dabei wird die Rotorwelle aus einem Material ausgeführt, das eine relative Permeabilität von weniger als 20 hat, insbesondere eine zwischen 1 und 10. Hierzu eignet sich beispielhaft Edelstahl.
Auf diese Weise sind Felder abschirmbar, die ansonsten durch die Rotorwelle hindurch vom Bereich der Erregerwicklung zum Bereich der Sekundärwicklung gelangen könnten und dabei eine störende Wirkung entfalten könnten.
Auf dem Rotorwellenabschnitt 8 ist das Aufnahmeteil 9 drehfest befestigt, dessen der Rotorwicklung zugewandte Seite mit einem Dynamoblech oder Stahlblech 4 bedeckt ist und das Aufnahmeberieche für Elektronik, also den Raumbereich 7, aufweist, und einen Aufnahmeberiech für die Sekundärspule, umfassend die Sekundärwicklung 7 mit dem diese U-förmig umgebenden Ferritkern.
Der Raumbereich für Elektronik und der Aufnahmebereich für die Sekundärspule sind im gleichen axialen Bereich angeordnet. Zumindest einen selben axialen Teilbereich umfassen die axialen Bereiche der Sekundärspule und des Raumbereichs.
Die Rotorwelle ist beidseitig gelagert, wobei die Lagerstellen außerhalb des axialen Bereiches des Rotorblechpaketes und des Drehübertragerteils sich befinden. Also axial zwischen den Lagerstellen sind das Rotorblechpaket und die Sekundärwicklung angeordnet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das abschirmende Blech 4 nicht am Aufnahmeteil, sondern direkt auf der Rotorwelle befestigt, beispielsweise festgekrallt oder anderweitig formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit der Rotorwelle verbunden. Alternativ ist ein solches Blech auch zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Blech 4 auf diese Weise auf der Rotorwelle anordenbar.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt des Ferritmaterials ein im Wesentlichen gleichwirkendes Material verwendet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle mindestens zweistückig ausgebildet, indem der Rotorwellenabschnitt 8 aus einem Material ausgeführt ist, das eine relative Permeabilität von weniger als 20 hat, insbesondere eine zwischen 1 und 10, insbesondere beispielhaft aus Edelstahl, und indem der Rotorwellenabschnitt 1 stoffschlüssig verbunden ist mit dem Rotorwellenabschnitt 1.Als stoffschlüssige Verbindung hat sich eine reibgeschweißte Verbindung als vorteilhaft erwiesen, wobei die Endbearbeitung der gesamten Welle, also spanende Bearbeitung, nach dem reibschweißenden Verbinden ausgeführt wird. Auf diese Weise ist es ermöglicht, den Rotorwellenabschnitt 1 aus kostengünstigem Stahl zu fertigen, der allerdings eine relative Permeabilität von weit über 20 hat, beispielsweise von über 800 oder über 1000.
Die gesamte Permeabilität gleicht dem Produkt aus der relativen Permeabilität und der Permeabilitätskonstante für Vakuum. Letztere wird auch als Vakuumpermeabilität bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Rotorwellenabschnitt
2: Vergussmasse
3: Rotorblechpaket
4: Stahlblech
5: Kernmaterial, insbesondere Ferrit oder Eisenpulver
6: Ringwicklung
7: Raumbereich für Elektronik
8: Rotorwellenabschnitt
9: Aufnahmeteil
20: Erregerwicklung
21: Schnittebene

Claims

Elektromotor, umfassend zumindest eine Rotorwelle und eine Sekundärspule, die eine Sekundärwicklung umfasst, wobei in einem ersten axialen Bereich der Rotorwelle ein Rotorblechpaket (3) und in einem zweiten axialen Bereich der Rotorwelle die Sekundärwicklung angeordnet ist, wobei axial zwischen dem ersten und zweiten Bereich Mittel zur magnetischen Abschirmung angeordnet sind, wobei zur magnetischen Abschirmung ein Blech radial außerhalb eines ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet ist, wobei zur magnetischen Abschirmung zumindest ein Rotorwellenabschnitt (1, 8) radial innerhalb des ersten Wertes an Radialabstand zur Rotorwellenachse angeordnet ist, wobei der Rotorwellenabschnitt (1, 8) aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist, wobei zur magnetischen Abschirmung die Rotorwelle aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist, wobei der Aufnahmebereich für Elektronik auf kleinerem Radialabstand als der Aufnahmebereich für Sekundärspule angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech an der Rotorwelle direkt befestigt, insbesondere kraftschlüssig befestigt, ist oder das Blech an einem Aufnahmeteil (9) befestigt ist, das mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (9) aus Aluminium ist.
Elektromotor nach Anspruch 2 oder 3, das Aufnahmeteil (9) einen Aufnahmebereich für Elektronik und einen Aufnahmebereich für Sekundärspule aufweist.
Elektromotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung zumindest teilweise von einem Spulenkern umgeben ist.
Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern aus Ferritmaterial oder Eisenpulver gefertigt ist.
Elektromotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Primärwicklung und die Sekundärwicklung sich axial oder radial gegenüber stehen.
Elektromotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen den Lagern der Rotorwelle das Rotorblechpaket (3) und die Sekundärwicklung angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme der Elektronik im Wesentlichen über das Aufnahmeteil (9) und/oder das Blech an die Umgebung des Rotors und/oder an die Rotorwelle abgeführt wird.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (9) in Umfangrichtung formschlüssig oder kraftschlüssig mit der Rotorwelle verbunden ist.
Elektromotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle aus zwei verbundenen Rotorwellenabschnitten (1, 8) zusammengesetzt ist.
Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle aus zwei reibgeschweißt verbundenen Rotorwellenabschnitten (1, 8) zusammengesetzt ist.
Elektromotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Rotorwellenabschnitte (1, 8) aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Permeabilität kleiner als 20 ist, und dieser Abschnitt im axialen Bereich des Aufnahmeteils (9) angeordnet ist oder diesen Bereich zumindest teilweise umfasst.