DE102009025929A1

DE102009025929A1 - Läuferaufbau für eine permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102009025929A1
Application number: DE200910025929
Authority: DE
Inventors: Ulrich Spevacek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Läuferaufbau für permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschinen zu schaffen, der die Vorteile einer guten Kühlung, einer mechanisch stabilen Lagerung der Permanentmagnete und eine Minimierung der Wirbelstromverluste vereint. Am Außenumfang des Läufers sind Elektroblechpakete (6) mit dazwischenliegenden Permanentmagneten (7) angeordnet. Auf der Welle (1) des Läufers sind zwei beabstandete Lager (8) vorgesehen, die jeweils eine innere Teilbuchse (2a) mit Lüfterschaufeln (3) tragen und die Lüfterschaufeln (3) reichen bis zu einer äußeren Buchse (4), wobei die inneren Teilbuchsen (2a), die Lüfterschaufeln (3) und die äußere Buchse (4) als tragender Läufergrundkörper ausgebildet ist und die äußere Buchse (4) Nuten (5) am Außenumfang in Längsrichtung für die Aufnahme von im Fußbereich komplementär aufgebauten, einzelnen Elektroblechpaketen (6) besitzt und zwischen den Elektroblechpaketen (6) Permanentmagnete (7) angeordnet sind und zwischen der Welle (1) im Bereich zwischen den Lagern (8) und der äußeren Buchse (4) eine Kupplung (9) vorgesehen ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Elektromaschinenbau.

Description

Läuferaufbau für eine permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschine, bei der am Außenumfang des Läufers Elektroblechpakete mit dazwischenliegenden Permanentmagneten angeordnet sind, insbesondere für Generatoren von Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen und Block-Heiz-Kraft-Werke.
Stand der Technik bei permanentmagneterregten Elektromaschinen ist durch eine Vielzahl von Anmeldungen charakterisiert. So wird z. B. in der DE 60204878 T2 ein Läufer beschrieben, der ähnlich wie ein Speichenrad eines Fahrrades aufgebaut ist. Von einer Nabe verlaufen Speichen zu einem äußeren Ring, der die Permanentmagnete trägt.
In der DE 198 46 924 A1 sind in an sich bekannte gestanzte einteilige Blechronden oder Blechstreifen mit Nuten und Zähnen zum Rücken hin, Innennuten angeordnet. Die Zahl und Lage der Innennuten ist den Nuten für die Aufnahme der Permanentmagnete angepasst. Zwischen den Innennuten und Nuten ist ein schmaler, entfernbarer Steg angeordnet. Das Blechpaket ist geschichtet und mit nichtferromagnetischem Material verfestigt. In vorzugsweise halboffenen Nuten sind Permanentmagnete eingelegt und verfestigt. Im Inneren der gebleckten Zähne im unteren Bereich zum Nutgrund hin sind Öffnungen vorzugsweise für die Kühlung angeordnet.
In der DE 60118515 T2 sind ebenfalls Permanentmagnete zwischen Blechpaketen angeordnet. An der Außenseite der Permanentmagnete umfassen die Blechpakete die Permanentmagnete teilweise und halten diese somit in einer stabilen Lage. Gleichzeitig wird die Möglichkeit einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert, da diese zur Oberfläche des Läufers zurückgesetzt sind.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Läuferaufbau für permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschinen zu schaffen, der die Vorteile einer guten Kühlung, einer mechanisch stabilen Lagerung der Permanentmagnete und eine Minimierung der Wirbelstromverluste vereint.
Der erfindungsgemäße Läuferaufbau garantiert eine Verhinderung der Entmagnetisierung der Permanentmagnete bei gleichzeitiger Erhöhung der Kurzschlussfestigkeit der Maschine. Wirbelstromverluste im Läufergrundkörper sind je nach Ausführungsvariante minimiert oder gänzlich beseitigt.
Die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen erreichbare gute Luftkühlung kann durch eine externe Belüftungsanlage außerhalb der elektrischen Maschine gekoppelt werden, um somit im unteren Drehzahlbereich der elektrischen Maschine bzw. bei Bedarf eine zusätzliche Kühlung zu ermöglichen.
Der hohle Läufergrundkörper reduziert das Massenträgheitsmoment des Läufers auf ein Minimum.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 4 bis 7 aufgeführt. Anspruch 3 als Nebenanspruch ermöglicht durch die eingebaute Kupplung zwischen Welle und äußerer Buchse eine Entkopplung bzw. Unterbrechung der Drehmomentenübertragung von der Welle auf die äußere Buchse mit dem magnetischen Aufbau. Dies ist von Vorteil, wenn die Welle in zu hohe Drehzahlbereiche driftet. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 wird durch zwei Lüfterschaufelanordnungen die Effektivität der Lüftung erhöht und gleichzeitig erhöht sich die Stabilität des mechanischen Aufbaus des Läufers. Bei den Weiterbildungen nach Anspruch 4 und 5 werden durch den Einsatz von nichtmagnetischen Materialien im Läufergrundkörper die Ausbreitung von Wirbelströmen verhindert. Somit minimieren sich die Wirbelströme im Läufergrundkörper oder werden gänzlich vermieden. Nach Anspruch 6 kann durch die Anordnung von Kühlkanälen in den Elektroblechpakten auch innerhalb des Läufermagnetaufbaus und nicht nur außerhalb durch eine Luftumspülung eine verbesserte Kühlung erreicht werden. Weiterhin kann durch den mechanischen Aufbau der Elektroblechpakete, insbesondere durch die teilweise übergreifende Gestaltung der Elektroblechpakete über die Oberseite der Permanentmagnete, eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert werden und die Kurzschlussfestigkeit der Maschine erhöht sich. Gleichzeitig ist durch den mechanischen Aufbau eine sichere Lagerung der Permanentmagnete gewährleistet. Der Aufbau der Elektroblechpakete durch einzelne, untereinander isolierte Bleche, nach herkömmlicher Elektromaschinenbautechnologie, mit einem auf der Unterseite angeordneten Schwalbenschwanz, ermöglicht eine Vorfertigung und einen sicheren Einbau in den Läufergrundkörper.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 den schematischen Aufbau einer permanentmagneterregten, rotierenden elektrischen Maschine im Schnitt mit zwei Lüfteranordnungen im Läufergrundkörper,
2 den schematischen Aufbau einer permanentmagneterregten, rotierenden elektrischen Maschine im Schnitt mit einer Kupplung zwischen der Welle und der äußeren Buchse,
3 den schematischen Aufbau einer permanentmagneterregten, rotierenden elektrischen Maschine im Schnitt mit einer axialen Abdichtung an einer Läuferseite zur konzentrierten Luftführung,
4 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung des Läufers und
5 unterschiedliche Details der Elektroblechpakete mit den zwischengelagerten Permanentmagneten im Schnitt. Der Läuferaufbau der permanentmagneterregten, rotierenden elektrischen Maschine mit am Außenumfang des Läufers angeordneten Elektroblechpaketen mit dazwischenliegenden Permanentmagneten ist segmentartig realisiert. Auf der Welle 1 des Läufers ist eine innere Buchse 2 angeordnet. An beiden Enden sind vorteilhaft Lüfterräder mit Lüfterschaufeln 3 vorgesehen, wobei die Lüfterräder an ihrem Außenumfang eine äußere Buchse 4 tragen. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen der inneren Buchse 2 und der äußeren Buchse 4 nur Lüfterschaufeln 3 angeordnet sind, die mechanisch fest mit einander verbunden sind und somit als tragender Läufergrundkörper ausgebildet sind. Der Läufergrundkörper besteht also aus der inneren Buchse 2, der äußeren Buchse 4 und den dazwischenliegenden Lüfterschaufeln 3 oder Lüfterrädern. Die äußere Buchse 4 besitzt Nuten 5 am Außenumfang in Längsrichtung für die Aufnahme von im Fußbereich komplementär aufgebauten, einzelnen Elektroblechpaketen 6. Zwischen den Elektroblechpakten 6 sind Permanentmagnete 7 angeordnet.
Durch die Lüfterschaufeln 3 wird eine Luftführung 12 durch den Luftspalt 13 zwischen Ständerwicklung 14 und dem Läufer mit den Elektroblechpaketen 6 und Permanentmagneten 7 der Maschine und zurück zu den Lüfterschaufeln 3 und durch den Läufergrundkörper, also eine Innenbelüftung, erzwungen. Eine Verbesserung der Kühlung kann noch erreicht werden, wenn im Gehäuse 15 seitlich angeordnete Lufteinlässe 16, die nahe der Welle 1 liegen und Luftauslässe 17 in Höhe des Luftspaltes 13 vorhanden sind und an einer Schmalseite der äußeren Buchse 4 zum Gehäuse 15 der rotierenden elektrischen Maschine eine oder mehrere axiale Abdichtung/en 19 oder eine oder mehrere axiale Querschnittsverengung/en 19 vorgesehen ist/sind. Hierdurch kann auch eine Zwangsbelüftung mit außenliegenden Lüfteranlagen erreicht werden.
Insbesondere bei Ausführungsarten mit langsam drehenden Läufern ist zwischen der Welle 1 und der äußeren Buchse 4 die Anordnung einer Kupplung 9 sinnvoll, um eine Trennung zwischen Welle 1 und äußerer Buchse 4 zu ermöglichen, falls antriebsseitig zu hohe Drehzahlen anliegen. Bei dieser Ausführungsart sind auf der Welle 1 des Läufers zwei beabstandete Lager 8 vorgesehen, die jeweils eine innere Teilbuchse 2a mit Lüfterschaufeln 3 tragen. Auch hier sind die Lüfterschaufeln 3 bis zu einer äußeren Buchse 4 geführt, wobei die inneren Teilbuchsen 2a, die Lüfterschaufeln 3 und die äußere Buchse 4 als tragender Läufergrundkörper ausgebildet ist. Der restliche Läuferaufbau ist wie schon oben beschrieben gleich aufgebaut.
Die einzelnen Elektroblechpakete 6 besitzen mittig über die Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 10. Diese Kühlkanäle 10 können z. B. das bekannte Folkloremuster besitzen oder aus mindestens zwei übereinanderliegenden Kühlkanälen bestehen. Die Außenkontur der Elektroblechpakete 6 in Richtung Luftspalt 13 sind pilzkopfartig ausgeführt, d. h. die Elektroblechpakete 6 ragen über die Permanentmagnete 7 hinaus und umfassen die Permanentmagnete 7 an deren Oberseite teilweise. Zwischen den Elektroblechpaketen 6 sind formschlüssig die Permanentmagnete 7 eingelagert, wobei die Seiten der Permanentmagnete 7 zu den Elektroblechpakten 6 komplementäre Ausnehmungen zu entsprechenden Ausbuchtungen 11, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke oder Halbkreise der Elektroblechpakte 6 besitzen. Diese Formgebungen der Elektroblechpakete 6 dienen der Befestigung der Permanentmagnete 7, was noch durch den Tränkprozess unterstützt wird.
Der tragende Läufergrundkörper besteht vorteilhaft aus Keramik oder teilweise aus Keramik, nichtmagnetischem Stahl, Aluminiumschaum und/oder Blechen aus nichtmagnetischem Stahl oder Aluminium.
Bei einer Ausführungsvariante besteht die äußere Buchse 4 aus Keramik mit entsprechend eingearbeiteten Nuten 5 für die Aufnahme der Elektroblechpakete 6. Wenn die äußere Buchse 4 aus einem nichtmagnetischen Material besteht, so können die Nuten 5 keramikbeschichtet sein oder aus formschlüssig eingelegten Keramikelementen 18 bestehen.

1: Welle
2: innere Buchse
2a: innere Teilbuchse
3: Lüfterschaufeln
4: äußere Buchse
5: Nuten
6: Elektroblechpakete
7: Permanentmagnete
8: Lager
9: Kupplung
10: Kühlkanäle
11: Ausbuchtungen der Elektroblechpakete
12: Luftführung
13: Luftspalt
14: Ständerwicklung
15: Gehäuse
16: Lufteinlässe
17: Luftauslässe
18: Keramikelemente
19: Abdichtung, Querschnittsverengung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 60204878 T2 [0002]
- DE 19846924 A1 [0003]
- DE 60118515 T2 [0004]

Claims

Läuferaufbau für eine permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschine, bei der am Außenumfang des Läufers Elektroblechpakete mit dazwischenliegenden Permanentmagneten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein segmentierter Läuferaufbau in der Form vorliegt, dass auf der welle (1) des Läufers eine innere Buchse (2) angeordnet ist, die Lüfterschaufeln (3) trägt, die bis zu einer äußeren Buchse (4) reichen, wobei die innere Buchse (2), die Lüfterschaufeln (3) und die äußere Buchse (4) als tragender Läufergrundkörper ausgebildet ist und die äußere Buchse (4) Nuten (5) am Außenumfang in Längsrichtung für die Aufnahme von im Fußbereich komplementär aufgebauten, einzelnen Elektroblechpaketen (6) besitzt und zwischen den Elektroblechpakten (6) Permanentmagnete (7) angeordnet sind.
Läuferaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Enden zwischen der inneren Buchse (2) und der äußeren Buchse (4) Lüfterschaufeln (3) angeordnet sind.
Läuferaufbau für eine permanentmagneterregte, rotierende elektrische Maschine, bei der am Außenumfang des Läufers Elektroblechpakete mit dazwischenliegenden Permanentmagneten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein segmentierter Läuferaufbau in der Form vorliegt, dass auf der Welle (1) des Läufers zwei beabstandete Lager (8) vorgesehen sind, die jeweils eine innere Teilbuchse (2a) mit Lüfterschaufeln (3) tragen und die Lüfterschaufeln (3) bis zu einer äußeren Buchse (4) reichen, wobei die innere Teilbuchsen (2a), die Lüfterschaufeln (3) und die äußere Buchse (4) als tragender Läufergrundkörper ausgebildet ist und die äußere Buchse (4) Nuten (5) am Außenumfang in Längsrichtung für die Aufnahme von im Fußbereich komplementär aufgebauten, einzelnen Elektroblechpaketen (6) besitzt und zwischen den Elektroblechpakten (6) Permanentmagnete (7) angeordnet sind und zwischen der Welle (1) im Bereich zwischen den Lagern (8) und der äußeren Buchse (4) eine Kupplung (9) vorgesehen ist.
Läuferaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Buchse (4) aus Keramik oder aus einem nichtmagnetischen Material besteht, wobei bei dem Einsatz eines nichtmagnetischen Materials zum Beispiel schwalbenschwanzförmige Nuten (5) keramikbeschichtet ausgeführt sind oder aus formschlüssig eingelegten Keramikelementen (18) bestehen.
Läuferaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der tragende Läufergrundkörper aus Keramik, nichtmagnetischem Stahl, Aluminiumschaum und/oder Blechen aus nichtmagnetischem Stahl oder Aluminium besteht.
Läuferaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektroblechpakete (6) mittig über die Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle (10) besitzen und die Elektroblechpakete (6) über die Permanentmagnete (7) hinausragen und diese an deren Oberseite teilweise umfassen und die Permanentmagnete (7) zwischen den Elektroblechpaketen (6) formschlüssig eingelagert sind, wobei die Seiten der Permanentmagnete (7) zu den Elektroblechpakten (6) komplementäre Ausnehmungen zu entsprechenden Ausbuchtungen (11), wie z. B. Rechtecke, Dreiecke oder Halbkreise der Elektroblechpakte (6) besitzen.
Läuferaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Schmalseite der äußeren Buchse (4) zum Gehäuse (15) der rotierenden elektrischen Maschine eine oder mehrere axiale Abdichtung/en (19) oder eine oder mehrere axiale Querschnittsverengung/en (11) vorgesehen ist/sind.