DE102010010580A1

DE102010010580A1 - Außenläufermotor mit variierendem Jochprofil

Info

Publication number: DE102010010580A1
Application number: DE102010010580A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hartmann Ulrich; Christian Knop; Joachim Mucha
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011110421A2; WO2011110421A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Außenläufer einer elektrischen Maschine sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Außenläufer. Eine möglichst leichte Bauweise wird dadurch erzielt, dass der Außenläufer eine in Richtung des Außenläuferradius definierte und in Umfangsrichtung variierende Jochstärke aufweist, wobei die Jochstärke unter Polen (3) des Außenläufers einen ersten Wert (1) und in Pollücken (4) zwischen den Polen (3) einen zweiten, vom ersten verschiedenen Wert (2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Außenläufer einer elektrischen Maschine sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Außenläufer. Die Erfindung kommt insbesondere dort vorteilhaft zum Einsatz, wo eine Gewichts- oder Materialreduktion bei elektrischen Maschinen von besonderer Bedeutung ist. Beispielhaft seien hier direkt angetriebene Windkraftgeneratoren genannt, die insbesondere bei großen Leistungen erhebliche Maschinendurchmesser erfordern. Allein aus statischen Gründen wird hier bei einem gegebenen Maschinendurchmesser, eine möglichst geringe Masse des Generators angestrebt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst leichte Bauweise einer elektrischen Maschine mit Außenläufer zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Außenläufer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dieser Außenläufer weist eine in Richtung des Außenläuferradius definierte und in Umfangsrichtung variierende Jochstärke auf, wobei die Jochstärke unter den Polen des Außenläufers einen ersten Wert und in Pollücken zwischen den Polen einen zweiten, vom ersten verschiedenen Wert aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Außenläufers einer elektrischen Maschine umfasst folgende Verfahrensschritte:

– Walzen eines Läuferbleches für den Außenläufer derart, dass es eine senkrecht zur Walzrichtung definierte und in Walzrichtung variierende Jochstärke aufweist, wobei die Jochstärke alternierend einen ersten und einen zweiten Wert annimmt und
– Umformen des Läuferbleches zu dem als Hohlzylinder ausgebildeten Außenläufer.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Gewicht einer elektrischen Maschine mit Außenläufer signifikant reduzieren lässt, wenn dessen Joch nicht wie im Stand der Technik üblich mit einer konstanten Jochstärke ausgeführt wird. Vielmehr liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die Jochstärke in Richtung des Umfangs des Außenläufers variabel zu halten und hierbei an jeder Stelle in Umfangsrichtung nur die funktionell notwendige Jochstärke zu wählen.
So muss die Jochstärke unter den Polen des Außenläufers gerade so groß sein, dass sie zur Übertragung der im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente ausreicht. Hingegen wird der Jochabschnitt, der sich in einer Pollücke befindet, zur Übertragung des magnetischen Flusses zwischen zwei Polen verwendet. Somit stehen bei dessen Dimensionierung elektrische und magnetische Kriterien im Vordergrund. Zweckmäßigerweise wird der zweite Wert, der die Jochstärke in der Pollücke definiert, derart bemessen, dass der magnetische Fluss zwischen zwei benachbarten Polen im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine sättigungsfrei übertragbar ist. Hingegen wird der erste Wert derart bestimmt, dass das Joch im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine auftretenden Kräften und Momenten standhält. Bei einer solchen Auslegung erhält das Joch in Umfangsrichtung ein Profil, welches im Wesentlichen durch eine alternierende Jochstärke gekennzeichnet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Pole des Außenläufers durch Permanentmagnete ausgebildet. Das Joch weist über den Polen und damit über den Permanentmagneten eine Stärke auf, die dem ersten Wert entspricht. Seine Aufgabe ist es, die mechanischen Kräfte, die auf die Permanentmagnete wirken, aufzunehmen.
In den meisten Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn der erste Wert kleiner als der zweite Wert ist. Dies ergibt sich dadurch, dass in der Regel für die Führung des magnetischen Flusses eine größere Jochstärke benötigt wird, als zur Aufnahme der radialen und tangentialen Kräfte.
Eine Dimensionierungsvorschrift, mit der sich in der Praxis eine nahezu ideale Materialausnutzung im Joch ergibt, kennzeichnet sich dadurch, dass der zweite Wert mindestens die Hälfte der Polbreite beträgt. Durch eine solche Wahl wird sichergestellt, dass die magnetische Sättigung im Joch vermieden werden kann.
Die radiale Steifigkeit des Außenläufers lässt sich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erhöhen, dass der Außenläufer in Umfangsrichtung verlaufende Rippen aufweist.
Eine verbesserte Entwärmung der elektrischen Maschine wird vorteilhafter Weise dadurch erzielt, dass der Außenläufer axial verlaufende Nuten zur Entwärmung der elektrischen Maschine umfasst.
Das Walzen des Läuferbleches stellt eine sehr einfache Fertigungstechnologie dar, bei der auf eine spanende Nachbearbeitung im Idealfall verzichtet werden kann. Zumindest kann der Aufwand hierfür im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert werden. Das Walzwerkzeug wird hierbei zweckmäßiger Weise derart dimensioniert, dass sich ein erster und ein zweiter Wert der Jochstärke ergeben, bei dem sich die maximale Materialeinsparung einstellt. Hierzu wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zunächst der erste Wert derart bestimmt, dass das Joch im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine auftretenden Kräfte und Momenten standhält. Der zweite Wert wird derart bestimmt, dass der magnetische Fluss zwischen zwei benachbarten Polen im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine im Wesentlichen sättigungsfrei übertragbar ist.
Beispielsweise zur Herstellung eines permanenterregten direkt angetriebenen Windkraftgenerators werden in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung Permanentmagnete an der innere Mantelfläche des Außenläufers an den Stellen angebracht, an denen die Jochstärke den ersten Wert aufweist.
Besonders einfach lassen sich durch den erfindungsgemäßen Walzprozess in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Aussparungen in das Läuferblech walzen und die Permanentmagnete in den Aussparungen montieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden in Umfangsrichtung des Außenläufers verlaufende Rippen zur Verstärkung der radialen Außenläufersteifigkeit in das Läuferblech gewalzt. Bei dem Walzprozess können sowohl die oben angesprochenen Nuten oder Aussparungen als auch die Rippen zusammen mit dem angestrebten Jochprofil in einem Fertigungsgang erzeugt werden.
Ebenso können vorteilhafter Weise axial verlaufende Nuten zur Entwärmung der elektrischen Maschine in das Läuferblech gewalzt werden. Auch dies kann sehr einfach in einem Fertigungsschritt zusammen mit der Erzeugung des gewünschten Jochprofils durchgeführt werden.
Die Integration mehrerer Funktionalitäten wie beispielsweise den angesprochenen Rippen zur Steifigkeitssteigerung, zusätzliche Querschnitte zur besseren Entwärmung sowie Nuten zur Aufnahme der Permanentmagnete vereinfacht zum Einen die Fertigung und trägt zum Anderen zu einer höheren Maschinensicherheit bei. Durch die Nuten, die als zusätzliche Entwärmungskanäle dienen, wird die effektive Luftspaltfläche in den magnetisch unwirksamen Bereichen erhöht. Hierdurch wird zum Einen allein durch die Aussparung Material gespart, zum Anderen wird durch die verbesserte Entwärmung mit demselben Maschinendurchmesser eine höhere Leistung erzielt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt von einem Außenläufer gemäß einer Ausführung der Erfindung,
2 eine perspektivische vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführung eines Außenläufers gemäß der vorliegenden Erfindung mit Rippen zur Verstärkung des Läufers hinsichtlich radial wirkender Kräfte, und
3 einen Walzprozess zur Herstellung eines Jochprofils für einen Außenläufer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Außenläufer gemäß einer Ausführung der Erfindung. Der Außenläufer ist aus einem Läuferblech gefertigt, welches zunächst zur Herstellung des gezeigten Profils gewalzt wurde und anschließend zu einem Hohlzylinder gewickelt und an den Enden zu einem geschlossenen Zylinder verschweißt wurde.
Der dargestellte Außenläufer ist Teil einer permanenterregten Synchronmaschine, die als Windkraftgenerator dient. An Polen 3 des Außenläufers sind in der 1 nicht dargestellte Permanentmagnete zur Erzeugung des Erregerfeldes vorgesehen. Die Pole 3 sind jeweils über eine Polteilung 5 voneinander beabstandet. Oberhalb der Pole 3 und damit oberhalb der Permanentmagnete besitzt die Jochstärke einen ersten Wert 1.
Zwei benachbarte Pole 3 sind jeweils durch eine Pollücke 4 voneinander beabstandet. In der Pollücke 4 hat die Jochstärke einen zweiten Wert 2, der erkennbar größer ist als der erste Wert 1.
Der erste Wert 1 wurde nach mechanischen Gesichtspunkten bestimmt. Das Joch ist an den Polen 3 gerade so stark, wie es notwendig ist, um die radial wirkenden Kräfte an dieser Stelle aufzunehmen.
Hingegen bestimmt sich der zweite Wert 2 nach elektrischen und magnetischen Auslegungskriterien. Über die Pollücke 4 schließt sich der Fluss zwischen zwei benachbarten Polen 3. Der zweite Wert ist daher so zu bestimmen, dass die magnetische Flussdichte in der Pollücke möglichst nicht in die Sättigung geht. In den meisten Fällen wird hierfür eine größere Jochstärke benötigt als für die Aufnahme der radial wirkenden Kräfte.
Dadurch, dass der erste Wert 1 und der zweite Wert 2 unter unterschiedlichen Gesichtspunkten dimensioniert wurden, nämlich den an den jeweiligen Stellen relevanten Gesichtpunkten, lässt sich im Vergleich zu einem Außenläufer, bei dem eine konstante Jochstärke gewählt wird, signifikant Material und damit Gewicht einsparen. Denn wenn die Jochstärke konstant ist, gibt stets das Auslegungskriterium die Jochstärke vor, welches den größeren Wert hierfür erfordert.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf ein Profil beschränkt, welches lediglich zwei unterschiedliche Werte annimmt. So besitzt auch das in 1 dargestellte Jochprofil im Übergang vom Pol 3 zu Pollücke 4 einen dritten Wert 10 für die Jochstärke, der sowohl größer als der zweite Wert 2 als auch der erste Wert 1 ist.
Das dargestellt Jochprofil umfasst weiterhin Nuten 7, die zwischen den Polen 3 und damit an den Pollücken 4 an der Innenseite des Außenläufers angeordnet sind. Diese Nuten 7 dienen als Entwärmungskanäle. Hierdurch wird die für die Entwärmung maßgebliche effektive Luftspaltfläche erhöht. Die Profilgebung für die Nuten 7 kann sehr einfach mit der Erzeugung des dargestellten Jochprofils bei einem Walzprozess verbunden werden.
2 zeigt eine perspektivische vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführung eines Außenläufers gemäß der vorliegenden Erfindung mit Rippen 6 zur Verstärkung des Läufers hinsichtlich radial wirkender Kräfte. In der 2 ist zunächst zu erkennen, wie das in 1 dargestellte Läuferblech insgesamt zu einem Hohlzylinder 9 aufgewickelt wurde. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen 6 können ebenfalls beim Walzen des Bleches mit erzeugt werden. Insbesondere bei sehr großen Maschinen verhindern diese Rippen 6, dass der Außenläufer aufgrund der enormen Kräfte im Luftspalt der Maschine eine Verformung erfährt, die wiederum den Luftspalt verungleichmäßigt bzw. sogar zu einer Berührung des Läufers mit dem Ständer führen könnte.
3 zeigt einen Walzprozess zur Herstellung eines Jochprofils für einen Außenläufer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Das Läuferblech 8 wird durch zwei konturierte Walzen 11, 12 in die gewünschte Form gewalzt. Grundsätzlich ist dieses Verfahren auch mit nur einer konturierten Walze vorstellbar.
Wie bereits erwähnt, können bei der Herstellung des Jochprofils durch einen solchen Walzprozess grundsätzlich auch weitere Formgebungen vorgesehen werden und somit mehrere Funktionalitäten erzielt werden wie beispielsweise die im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Entwärmungskanäle. Die in 2 dargestellten Rippen 6 lassen sich mit einer Profilwalze sehr leicht herstellen, wenn die Walzrichtung tangential zum Außenläufer verläuft, d. h. in Umfangsrichtung. Gleichzeitig können hierbei auch die orthogonal zu den Rippen 6 angeordneten und als Entwärmungskanäle dienenden Nuten 7 bei der Profilgebung gewalzt werden. Prinzipiell ist aber auch eine axiale Walzrichtung denkbar und von der Erfindung umfasst.

Claims

Außenläufer einer elektrischen Maschine mit einer in Richtung des Außenläuferradius definierten und in Umfangsrichtung variierenden Jochstärke, wobei die Jochstärke unter Polen (3) des Außenläufers einen ersten Wert (1) und in Pollücken (4) zwischen den Polen (3) einen zweiten, vom ersten verschiedenen Wert (2) aufweist.
Außenläufer nach Anspruch 1, wobei die Pole (3) des Außenläufers durch Permanentmagnete ausgebildet sind.
Außenläufer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Wert (1) kleiner als der zweite Wert (2) ist.
Außenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Wert (2) mindestens die Hälfte der Polbreite beträgt.
Außenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenläufer in Umfangsrichtung verlaufende Rippen (6) zur Erhöhung der radialen Steifigkeit aufweist.
Außenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenläufer axial verlaufende Nuten (7) zur Entwärmung der elektrischen Maschine umfasst.
Elektrische Maschine, insbesondere Windkraftgenerator, mit einem Ständer und einem Außenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung eines Außenläufers einer elektrischen Maschine mit folgenden Verfahrensschritten: – Walzen eines Läuferbleches (8) für den Außenläufer derart, dass es eine senkrecht zur Walzrichtung (9) definierte und in Walzrichtung (9) variierende Jochstärke aufweist, wobei die Jochstärke alternierend einen ersten und einen zweiten Wert (1, 2) annimmt und – Umformen des Läuferbleches (8) zu dem als Hohlzylinder (9) ausgebildeten Außenläufer.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Walzen des Läuferbleches (8) die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Bestimmen des ersten Wertes (1) derart, dass das Joch im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine auftretenden Kräften und Momenten standhält und – Bestimmen des zweiten Wertes (2) derart, dass der magnetische Fluss zwischen zwei benachbarten Polen (3) im vorgesehenen Betriebsbereich der elektrischen Maschine sättigungsfrei übertragbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zweite Wert (2) mindestens die Hälfte der Polbreite beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei Permanentmagnete an der inneren Mantelfläche des Außenläufers an den Stellen angebracht werden, an denen die Jochstärke den ersten Wert (1) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Aussparungen in das Läuferblech (8) gewalzt werden und die Permanentmagnete in den Aussparungen montiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei in Umfangsrichtung des Außenläufers verlaufende Rippen (6) zur Verstärkung der radialen Außenläufersteifigkeit in das Läuferblech (8) gewalzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei axial verlaufende Nuten (7) zur Entwärmung der elektrischen Maschine in das Läuferblech (8) gewalzt werden.