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Die Erfindung betrifft allgemein Permanentmagnet-(PM)-Maschinen und spezieller Rotoren von Permanentmagnetmaschinen.
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Viele neue Luftfahrzeugsysteme sind mit Blick auf eine Steigerung der Aufnahme elektrischer Lasten im Vergleich zu herkömmlichen Luftfahrzeugsystemen ausgelegt. Die gegenwärtig entwickelten Güteanforderungen an das elektrische System kommerzieller Luftfahrzeugkonstruktionen können bis zu dem Doppelten der elektrischen Leistung herkömmlicher kommerzieller Luftfahrzeuge erfordern. Dieser erhöhte Bedarf an elektrischer Leistung ist von einer mechanischen Leistung abzuzweigen, die den Triebwerken entzogen wird, die das Luftfahrzeug antreiben. Wenn ein Flugzeugtriebwerk bei verhältnismäßig geringen Leistungspegeln betrieben wird, z. B. während eines antriebslosen Sinkflugs aus einer Flughöhe, kann ein Abziehen dieser zusätzlichen elektrischen Leistung von der mechanischen Leistung des Triebwerks den einwandfreien Betrieb des Triebwerks beeinträchtigen.
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Die elektrische Leistung wird herkömmlich der in einer Gasturbine vorhandenen Hochdruck-(HP)-Turbinenwelle entnommen. Die verhältnismäßig hohe Betriebsdrehzahl der Hochdruckturbinenwelle macht sie zu einer idealen Quelle mechanischer Leistung für den Antrieb der mit dem Triebwerk verbundenen elektrischen Generatoren. Allerdings ist es erwünscht, Leistung von zusätzlichen Quellen in dem Triebwerk zu entnehmen, anstatt den Antrieb der elektrischen Generatoren lediglich auf die Hochdruckturbinenwelle zu stützen. Die Niederdruckturbinenwelle bietet sich als eine weitere Quelle für die Übertragung von Leistung an, jedoch erfordert die vergleichsweise geringe Drehzahl der Niederdruckturbinenwelle gewöhnlich den Einsatz eines Getriebes, da mit geringer Drehgeschwindigkeit arbeitende elektrische Generatoren in der Regel größer sind als mit höheren Drehzahlen arbeitende elektrische Generatoren mit vergleichbaren Nennwerten.
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PM-Maschinen (oder Generatoren) sind eine mögliches Mittel, um der Niederdruckwelle elektrische Leistung zu entziehen. Allerdings sind die Anforderungen an die Maße und das Gewicht in Luftfahrtanwendungen streng, und sie lassen sich mittels herkömmlicher PM-Maschinenkonstruktionen schwer erfüllen.
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Gegenwärtig im Handel erhältliche PM-Maschinen weisen im Betrieb aufgrund ihrer hohen Drehzahlen und wegen ihrer Wicklungsstrukturen hohe Statorkern- und Rotormagnetverluste auf. Ansätze zur Konstruktion effizienter Statoren und Rotoren, um die oben erwähnten Verluste zu verringern, führen häufig zu einer Steigerung der Komplexität ihrer Konstruktion, was wiederum PM-Maschinen, die derartige Konstruktionen verwenden, wirtschaftlich unattraktiv macht.
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Eine PM-Maschine, die eine Konstruktion aufweist, die im Vergleich zu gegenwärtig verfügbaren PM-Maschinen einfacher ist, jedoch mit einer höheren Nennleistung erzeugt werden kann, um dadurch für eine vorgegebene Rotorabmessung einen Betrieb mit höherer Drehzahl zu erlauben, wäre daher in hohem Maße erwünscht.
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KURZBESCHREIBUNG
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Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen vereinfachte Konstruktionen für Rückschlussjoche von PM-Maschinen.
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Ein Aspekt der Erfindung beruht auf einer Permanentmagnetmaschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Rotor enthält einen Rotorkern und ist außerhalb des Stators und mit diesem konzentrisch angeordnet. Der Roterkern weist ein zusammenhängendes Volumen auf, das um eine Anzahl von Permanentmagneten angeordnet ist, wobei das zusammenhängende Volumen gleichzeitig einen magnetischen Fluss unterstützt, der durch die Permanentmagnete erzeugt wird, und einen mechanischen Halt und eine Eingrenzung für die Permanentmagnete während des Betriebs der Permanentmagnetmaschine bereitstellt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine Permanentmagnetmaschine. Der Rotor weist mehrere Permanentmagnete, die dazu eingerichtet sind, einen magnetischen Fluss zu erzeugen, und ein magnetisches Rückschlussjoch auf, wobei das magnetische Rückschlussjoch den magnetischen Fluss unterstützt und die gesamte mechanische Unterstützung für eine radiale Eingrenzung der Permanentmagnete während des Betriebs der Permanentmagnetmaschine bereitstellt.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher.
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ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht schematisch einen Abschnitt einer von innen nach außen gekehrten Permanentmagnetmaschine aus dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine radiale Schnittansicht einer Permanentmagnetmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine radiale Schnittansicht einer Permanentmagnetmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt eine radiale Schnittansicht einer Permanentmagnetmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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5 zeigt eine radiale Schnittansicht einer Permanentmagnetmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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6 veranschaulicht in einem Graphen die Änderung einer Spitzenbelastung in einem Rückschlussjoch als Funktion der Dicke eines Rückschlussjochs für eine Permanentmagnetmaschine, die bei einer vorgegebenen feststehenden Drehzahl arbeitet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wo immer in der folgenden Beschreibung für einen speziellen Aspekt bzw. Merkmal eines Ausführungsbeispiels der Erfindung festgestellt wird, dass der Aspekt bzw. das Merkmal wenigstens ein Element einer Gruppe und Kombinationen daraus aufweist oder umfasst, versteht sich, dass der Aspekt oder das Merkmal jedes der Elemente der Gruppe aufweisen oder umfassen kann, und zwar einzeln oder in Kombination mit jedem der anderen Elemente jener Gruppe.
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Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, betreffen Ausführungsbeispiele der Erfindung verbesserte Rotorrückschlussjochkonstruktionen. Die hierin vorgeschlagenen Konstruktionen schaffen ein vereinfachtes Rotorrückschlussjoch, das mindestens zwei Zwecken dient. Erstens stellt es einen Rückkehrpfad für einen magnetischen Fluss bereit, der durch mehrere Permanentmagnete erzeugt wird, die in dem Rotor angeordnet sind. Zweitens bietet es strukturellen Halt für den Rotor gegen Zentripetalkräfte, die während der Rotation des Rotors auftreten. Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch Mittel zur Belüftung des Rotors verwenden.
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1 veranschaulicht schematisch einen Abschnitt einer von innen nach außen gekehrten PM-Maschine 102 aus dem Stand der Technik. Die PM-Maschine 102 enthält einen Rotor 104 und einen Stator 106, wobei der Rotor 102 gegenüber dem Stator 106 ”außen” angeordnet ist. Der Rotor 104 enthält ferner mehrere Permanentmagnete 108. Im Falle der hier dargestellten Anordnung sind die Permanentmagnete 108 zwischen dem Stator 106 und dem Rotorrückschlussjoch 110 angeordnet. Vielfältige Konstruktionen für die Anordnung der Permanentmagnete 108 in dem Rotor 104 sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der veranschaulichten Anordnung sind die Permanentmagnete 108 beispielsweise in einer Radialrichtung 112 des Rotors 104 angeordnet. Außerdem schreiben Betriebs- und Konstruktionsgrundlagen einer dem Fachmann in der Regel bekannten PM-Maschine eine zwingende Anordnung der Permanentmagnete nach speziellen Vorschriften vor. Zur Veranschaulichung ist ein Permanentmagnet 116 so angeordnet, dass sein Nordpol 118 in Bezug auf eine (nicht dargestellte) geometrische Mitte 122 der PM-Maschine radial entfernt angeordnet ist, während sein Südpol 120 radial näher angeordnet ist. Der Stator 106 weist mehrere Statorschlitze 114 auf, deren Konstruktion und Zweck dem Fachmann gewöhnlich bekannt sind. Weiter veranschaulicht 1 einen Teil des magnetischen Flusses 124, der durch die Permanentmagnete 108 erzeugt wird. Es ist offensichtlich, dass das Rotorrückschlussjoch 110 den zwischen zwei oder mehreren der Permanentmagnete 108 verlaufenden magnetischen Fluss 124 unterstützt.
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Während des Betriebs der PM-Maschine 102 weist der Rotor 104 eine Drehgeschwindigkeit 126 auf, wie sie beispielsweise angedeutet ist (2). Zufolge allgemein bekannter Prinzipien entsteht während des Betriebs eine radial nach innen gerichtete Zentripetalkraft 128, wie sie beispielsweise gezeigt ist. Einem Fachmann wird einleuchten, dass die Permanentmagnete 108 unter der Wirkung der Zentripetalkraft 128 eine Kraft auf das Rotorrückschlussjoch 110 ausüben. Neben seiner Funktion der Unterstützung des magnetischen Flusses 124 hat das Rotorrückschlussjoch 110 daher außerdem die Aufgabe, Belastungen mechanisch standzuhalten, die von den Permanentmagneten 108 während des Betriebs der PM-Maschine 102 ausgehen.
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Daher müssen Erwägungen von Rotorkonstruktionen neben sonstigen Faktoren allgemein Anforderungen an die oben erwähnten elektromagnetischen und mechanischen Funktion berücksichtigen, nämlich die Forderung, dass ein Rotor (beispielsweise vom Typ 104) einen magnetischen Fluss unterstützen soll (beispielsweise vom Typ 124), bzw. dass der Rotor während des Betriebs der PM-Maschine (beispielsweise vom Typ 102), von der Rotor ein Bestandteil ist, einer von einer Vielzahl von Permanentmagneten (beispielsweise vom Typ 108) ausgehenden Belastung mechanisch standhalten soll.
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Typische Konstruktionsansätze aus dem Stand der Technik, die bezwecken, dem Rotor 104 zu ermöglichen, seine oben erörterten elektromagnetischen und mechanischen Aufgaben zu erfüllen, sind mit Bezug auf 2 erläutert. 2 zeigt eine radiale Schnittansicht der PM-Maschine 102 (1), beispielsweise wenigstens entlang der Schnittlinie 132 (1). Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 weniger Details gezeigt als in 2. Beispielsweise veranschaulicht ein Abschnitt 202 eine radiale Schnittansicht des Rotors 104 (1) entlang der Schnittlinie 132 mehr im Einzelnen. Das Bezugszeichen 204 bezeichnet eine radiale Schnittansicht des Permanentmagneten 116 (1) entlang der Schnittlinie 132. Das Bezugszeichen 206 bezeichnet eine radiale Schnittansicht des Rotorrückschlussjochs 110 (1) entlang der Schnittlinie 132. Das Bezugszeichen 208 bezeichnet eine radiale Schnittansicht eines ”darunter liegend” positionierten Statorschlitzes 130 (1) entlang der Schnittlinie 132. In 2 ist die elektromagnetische Spule, die den Statorschlitz 130 durchquert, mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet. Zusätzlich zu einer detaillierteren Veranschaulichung von Abschnitten von 1, wie sie oben erörtert sind, veranschaulicht 2 außerdem in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132 eine Welle 212, die mechanisch mit dem Rotorrückschlussjoch 110 verbunden ist und über eine oder mehrere Lagerscheiben 216 und Kugellager 218 schwenkbar auf einem Stützrahmen 214 ruht, wobei der Stützrahmen 214, die Lagerscheiben 216 und die Kugellager 218 ebenfalls in radialer Querschnittsansicht gezeigt sind.
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Der Konstruktionsansatz aus dem Stand der Technik, der dazu dient dem Rotor 104 zu ermöglichen, seine elektromagnetischen und mechanischen Funktionen durchzuführen, sieht gewöhnlich voneinander unabhängige Konstruktionen vor, wobei jede Konstruktion dazu eingerichtet ist, die eine oder die andere Aufgabe zu übernehmen. Werkstoffe, die für die Herstellung der unabhängigen Konstruktionen eingesetzt werden, werden unter Berücksichtigung des speziellen Zwecks der speziellen unabhängigen Konstruktion gewählt. Wie es in 2 gezeigt ist, ist das (mit 206 bezeichnete) Rotorrückschlussjoch 110 beispielsweise gewöhnlich aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt, der es dem Rotorrückschlussjoch 110 ermöglicht, den durch die Permanentmagnete 108 erzeugten magnetischen Fluss 124 zu unterstützen. Eine radiale Dicke 222 des in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132 dargestellten Rotorrückschlussjochs 110 ist gewöhnlich mit Blick auf ein Minimum gewählt, das im Wesentlichen erforderlich ist, um den magnetischen Fluss 124 zu unterstützen. Eine davon unabhängige Konstruktion, nämlich ein ”Sicherungsring”, ist vorgesehen, um die oben erörterte mechanische Funktion zu erfüllen. Beispielsweise ist ein aus einem Werkstoff hoher Festigkeit hergestellter Sicherungsring 224, der in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132 dargestellt ist, vorgesehen, um das Rückschlussjoch 110 während der Belastung zu stützen, die das Rückschlussjoch 110 während des Betriebs der PM-Maschine 102 erfährt. Eine radiale Dicke 226 des in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132 dargestellten Rückschlussjochs 110 ist gewöhnlich mit Blick auf ein Minimum gewählt, das im Wesentlichen erforderlich ist, um das Rückschlussjoch 110 mechanisch zu stützen, wenn es während des Betriebs der PM-Maschine 102 belastet wird. Die Gründe für eine Minimierung der radialen Dicke 222 des Rückschlussjochs 110 und der radialen Dicke 226 des Sicherungsrings 224 sind dem Fachmann bekannt und betreffen neben anderen Faktoren die Betriebs- und Materialkosten des Betriebs und der Herstellung einer PM-Maschine.
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Dem Fachmann wird einleuchten, dass die vielfältigen Anforderungen, auf die hierin Bezug genommen ist, eine besondere Berücksichtigung in der Konstruktion und Herstellung erfordern. Beispielsweise muss das vorliegende Rotorrückschlussjoch während des Betriebs einer PM-Maschine in der Lage sein, den magnetischen Fluss zu unterstützen, während die vorliegende Rotorwelle und der Sicherungsring in der Lage sein müssen, Belastungs- und Rotationsspannungen aufzunehmen. Außerdem erfordern Konstruktions- und Betriebserwägungen einer PM-Maschine, dass die Welle (beispielsweise vom Typ 212), das Rückschlussjoch (beispielsweise vom Typ 110) und der Sicherungsring (beispielsweise vom Typ 224) mechanisch innig verbunden sind, so dass deren Bewegungen miteinander synchronisiert sind. D. h. Konstruktions- und Betriebserwägungen einer PM-Maschine erfordern, dass die Welle, das Rückschlussjoch und der Sicherungsring während des Betriebs der PM-Maschine ihre relative Ausrichtung beibehalten. Um dies zu verwirklichen, werden vielfältige Verbindungstechniken verwendet, um die Welle, das Rückschlussjoch und den Sicherungsring mechanisch innig zu verbinden. Wie dem Fachmann klar, steigern solche Verbindungstechniken die Kosten der Herstellung und Wartung der PM-Maschine.
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Im Vorliegenden beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen zumindest verbesserte Lösungsvorschläge für die wie oben erörterten elektromagnetischen und mechanischen Funktionen bereit, die ein Rotorrückschlussjoch erfüllen soll. 3 veranschaulicht in einer radialen Schnittansicht eine PM-Maschine 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die PM-Maschine 302 enthält einen Rotor 304, wobei der Rotor 304 ein Rückschlussjoch 306 aufweist, dessen (nachfolgend erörterte) ”vereinigte” Konstruktion es gestattet, mindestens sowohl die elektromagnetischen als auch die mechanischen Funktionen, wie oben erörtert, durchzuführen. Die PM-Maschine 302 enthält einen Stator 308, um den eine Anzahl von Permanentmagneten 312 angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 3 lediglich ein einziger ”segmentierter” Permanentmagnet 312 dargestellt. In speziellen Ausführungsbeispielen beinhaltet jeder der Permanentmagnete 312 mehrere Segmente, die längs einer Axialrichtung 334 angeordnet sind. Obwohl der in 3 gezeigte Permanentmagnet 312 ein ”segmentierter” Permanentmagnet ist, kann auch die Verwendung nicht segmentierter Permanentmagnete in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kompatibel sein.
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Das ”integrierte” Rückschlussjoch (I-Rückschlussjoch), von dem ein Ausführungsbeispiel 306 in 3 dargestellt ist, vereinigt zumindest die mehreren Funktionen einer Welle (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 212 bezeichnet ist), eines Rückschlussjochs (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 206 bezeichnet ist) und eines Sicherungsrings (beispielsweise vom Typ 224) und bildet einen der Aspekte der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise unterstützt das I-Rückschlussjoch 306 einen magnetischen Fluss 332, der durch die Permanentmagnete 312 erzeugt wird. Dem Fachmann wird einleuchten, dass die mehreren (elektromagnetischen und mechanischen) Funktionen, auf die hierin Bezug genommen ist, eine besondere Beachtung in der Konstruktion und Herstellung erfordern. Ansätze aus dem Stand der Technik zur Berücksichtigung dieser Erwägungen waren daher bisher darauf beschränkt, voneinander unabhängiger physikalischer Komponenten bereitzustellen, die die mehreren voneinander unabhängigen Funktionen bewältigen sollten. Ein Einsicht, die im Wesentlichen Aspekte der Erfindung des I-Rückschlussjochs ermöglichte, ergab sich aus der Erkenntnis der Erfinder, dass sich die Forderung nach einer innigen mechanischen Verbindung der Welle, des Rückschlussjochs und des Sicherungsrings am Besten erfüllen lässt, wenn diese Elemente aus einem einzigen Werkstück einteilig hergestellt werden. Der Werkstoff muss selbstverständlich geeignete elektromagnetische und mechanische Eigenschaften aufweisen, so dass das sich ergebende I-Rückschlussjoch die von diesem geforderten elektromagnetischen und mechanischen Funktionen durchführt, wie sie oben erörtert sind.
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Im Falle der veranschaulichten Anordnung ruht das I-Rückschlussjoch 306 über Rotorverschlusskegel 316 und Kugellager 318 schwenkbar auf einem Stützrahmen 314, wobei der Stützrahmen 314, die Rotorverschlusskegel 316 und die Kugellager 318 auch in 3 in einer radialen Querschnittsansicht gezeigt sind. Das I-Rückschlussjoch 306 kann über ein oder mehrere Befestigungsmittel 320 mit den Rotorverschlusskegeln 316 mechanisch verbunden sein.
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Speziellere Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten ferner Mittel, um Wärmemanagementprobleme in Zusammenhang mit dem Betrieb der PM-Maschine zu lösen. Beispielsweise können die Rotorverschlusskegel 316 eine oder mehrere Lüftungsöffnungen 322 aufweisen, durch die hindurch ein Gasstrom Wärme abführen kann, die während des Betriebs der PM-Elektromaschine erzeugt wird. Allgemein kann die Konstruktion der Rotorverschlusskegel 316 gestaltet sein, indem in deren Grundkörpern Lüftungsöffnungen als Durchlasskanalpfade ausgebildet sind. In spezielleren Ausführungsbeispielen der Erfindung können ein oder mehrere Lüftungsschaufeln oder -rippen 324 beispielsweise mit dem I-Rückschlussjoch 306 verbunden oder auf den Rotorverschlusskegeln 316 einstückig ausgebildet sein. Die Lüftungsschaufeln können auf demselben Material basieren wie das I-Rückschlussjoch 306 oder sie können aus einem beliebigen sonstigen Material hergestellt und in Ausführungsbeispiele der Erfindung geeignet integriert sein.
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Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von Anwendungen, in denen Ausführungsbeispiele des in 3 gezeigten Rotors von Vorteil sein können, beinhalten PM-Maschinen, die eine geringe Wirbelstromerwärmung aufweisen. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von PM-Maschinen mit niedriger Wirbelstromerwärmung beinhalten PM-Maschinen, die keine schrägen Unterbrechungsschlitzwindungen aufweisen.
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4 veranschaulicht in einer radialen Schnittansicht eine PM-Maschine 402 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die PM-Maschine 402 enthält einen Rotor 404, wobei der Rotor 404 ein Rückschlussjoch 406 aufweist, dessen (nachfolgend erörterte) vereinigte Konstruktion es gestattet, mindestens die elektromagnetischen und die mechanischen Funktionen, wie sie oben erörtert sind, durchzuführen. Das Ausführungsbeispiel der PM-Maschine 402 enthält einen Stator 408, um den mehrere Permanentmagnete 412 angeordnet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 4 ein ”segmentierter” Permanentmagnet 412 dargestellt. Für spezielle Ausführungsbeispiele enthält der Permanentmagnet 412 mehrere Segmente, die durch Mittel, wie sie aus dem Stand der Technik wohlbekannt sind, zusammen gehalten sein können. Beispielsweise können die Segmente mittels geeigneter Klebstoffe miteinander verklebt sein.
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Das I-Rückschlussjoch, von dem ein Ausführungsbeispiel 406 in 4 dargestellt ist, vereinigt zumindest die mehreren Funktionen einer Welle (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 212 bezeichnet ist), eines Rückschlussjochs (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 206 bezeichnet ist) und eines Sicherungsrings (beispielsweise vom Typ 224) und bildet einen der Aspekte der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise unterstützt das I-Rückschlussjoch 406 einen magnetischen Fluss 432, der durch die Permanentmagnete 412 erzeugt wird. Im Falle der veranschaulichten Anordnung ruht das I-Rückschlussjoch 406 über Rotorverschlusskegel 416 und Kugellager 418 schwenkbar auf einem Stützrahmen 414, wobei der Stützrahmen 414, die Rotorverschlusskegel 416 und die Kugellager 418 auch in 4 in einer radialen Querschnittsansicht gezeigt sind. Das I-Rückschlussjoch 406 kann über ein oder mehrere Befestigungsmittel 420 mit den Rotorverschlusskegeln 416 mechanisch verbunden sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von Befestigungsmitteln beinhalten Ankerbolzen (ein Beispiel von diesen ist mit Bezugszeichen 420 bezeichnet), die sich beispielsweise über die Breite 422 der PM-Maschine erstrecken können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten daher allgemein einen Rotor, wobei der Rotor mehrere Rotorverschlusskegel aufweist, wobei die Permanentmagnete zwischen gegenüberliegenden Rotorverschlusskegeln angeordnet sind, und wenigstens einen Bolzen bzw. eine Bolzenschraube, die dazu eingerichtet ist, das zusammenhängende Volumen an den Rotorverschlusskegeln zu befestigen. Ein nicht als beschränkend zu bewertendes Ausführungsbeispiel eines derartigen Rotors ist im Wesentlichen in 4 dargestellt, wobei die Permanentmagnete 412 zwischen gegenüberliegenden Enden 452 und 454 angeordnet sind, und Ankerbolzen (beispielsweise vom Typ 420) das I-Rückschlussjoch 406 (das ”zusammenhängende Volumen”) an dem Rotorverschlusskegel 416 befestigen. Ganz allgemein erstreckt sich das I-Rückschlussjoch von dem Ankerbolzen 420 ausgehend radial (entlang einer Radialrichtung 446).
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Allgemein beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung einen Rotor, wobei der Rotor elektrische Isolierungen aufweist, die zwischen dem wenigstens einen Bolzen und den entsprechenden Rotorverschlusskegeln angeordnet sind. Ein nicht als beschränkend zu bewertendes Ausführungsbeispiel eines derartigen Rotors ist im Wesentlichen in 4 dargestellt, wobei elektrische Isolierungen 424 und 426 zwischen den gegenüberliegenden Enden 452 und 454 des Ankerbolzens 420 und dem Rotorverschlusskegel 416 bzw. zwischen dem Ankerbolzen 420 und dem I-Rückschlussjoch 406 angeordnet sein können. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der elektrischen Isolierungen beinhalten Isolierschläuche und keramische Abstandhalter.
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Darüber hinaus kann das I-Rückschlussjoch 406 mehrere Bleche 428 aufweisen, um Wirbelstromverlustprobleme, die während des Betriebs der PM-Maschine 402 auftreten, zu bewältigen. Die Bleche können durch Mittel zusammen gehalten sein, die aus dem Stand der Technik wohlbekannt sind. Beispielsweise können die Bleche mittels geeigneter Klebstoffe miteinander verklebt sein.
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Dem Fachmann wird einleuchten, dass, falls die Positionierungen einzelner Blechzwischenräume, beispielsweise 436 und 438, der Bleche 428 entlang der Axialrichtung 434 mit den Positionierungen einzelner Segmentzwischenräume, beispielsweise 440 und 442, jedes Permanentmagneten, beispielsweise des Permanentmagneten 412, im Wesentlichen zusammentreffen, dann eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass während des Betriebs der PM-Maschine 402 eine sich ergebende Scherkraft dazu führen kann, dass die Segmente 444 eine Kraft auf die Bleche 428 ausüben, die wiederum eine Verschiebung eines oder mehrerer Bleche 428 und/oder eines oder mehrerer Segmente 444 im Wesentlichen längs einer Radialrichtung 446 des Rotors 404 hervorrufen kann. Der Fachmann erkennt, dass eine derartige Verschiebung zu einer Unwucht oder zu einem Ausfall des Rotors führen würde. Um die Wahrscheinlichkeit eines derartigen Ereignisses weitgehend auszuschließen, beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung Permanentmagnete, bei denen eine Seite jedes einzelnen axialen Segments jedes einzelnen Permanentmagneten gegenüber einer radialen Richtung einen Winkel ungleich Null aufweist. Ein nicht als beschränkend zu bewertendes Beispiel eines derartigen Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen in 4 dargestellt, wobei eine Seite 448 eines axialen Segments 456 des Permanentmagneten 412 mit einer radialen Richtung 446 einen von Null verschiedenen Winkel 450 bildet.
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Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von Anwendungen, in denen Ausführungsbeispiele des in 4 gezeigten Rotors von Vorteil sein können, beinhalten PM-Maschinen, die großen Magnetfeldschwankungen in dem Rotor unterworfen sind, wobei die Schwankungen zumindest für Wirbelstromverluste in dem Rotor ursächlich sind. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von PM-Maschinen, die großen Magnetfeldschwankungen in dem Rotor unterworfen sind, beinhalten PM-Maschinen mit schrägen Unterbrechungsschlitzwindungen.
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5 veranschaulicht, in einer radialen Schnittansicht, eine PM-Maschine 502 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die PM-Maschine 502 enthält einen Rotor 504 mit einem äußeren Radius 544, wobei der Rotor 504 ein Rückschlussjoch 506 aufweist, dessen (nachfolgend erörterte) vereinigte Konstruktion es gestattet, mindestens die elektromagnetischen und die mechanischen Funktionen, wie oben erörtert, durchzuführen. Das Ausführungsbeispiel der PM-Maschine 502 enthält einen Stator 508, um den mehrere Permanentmagnete 512 angeordnet sind. In 5 ist ein ”segmentierter” Permanentmagnet 512 mit einer radialen Dicke 542 dargestellt.
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Das I-Rückschlussjoch, von dem ein Ausführungsbeispiel 506 in 5 dargestellt ist, vereinigt zumindest die mehreren Funktionen einer Welle (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 212 bezeichnet ist), eines Rückschlussjochs (beispielsweise einer Bauart, die mit Bezugszeichen 206 bezeichnet ist) und eines Sicherungsrings (beispielsweise vom Typ 224) und bildet einen der Aspekte der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise unterstützt das I-Rückschlussjoch 506 einen magnetischen Fluss 532, der durch die Permanentmagnete 512 erzeugt wird. Das I-Rückschlussjoch 506 ruht über Rotorverschlusskegel 516 und Kugellager 518 schwenkbar auf einem Stützrahmen 514, wobei der Stützrahmen 514, die Rotorverschlusskegel 516 und die Kugellager 518 auch in 5 in einer radialen Querschnittsansicht gezeigt sind. Das I-Rückschlussjoch 506 kann über ein oder mehrere Befestigungsmittel mit den Rotorverschlusskegeln 516 mechanisch verbunden sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von Befestigungsmitteln beinhalten Ankerbolzen 520, die sich beispielsweise über die Breite 522 der PM-Maschine erstrecken können. Elektrische Isolierungen 524 und 526 können zwischen dem Ankerbolzen 520 und den Rotorverschlusskegeln 516 bzw. zwischen dem Ankerbolzen 520 und dem I-Rotor 506 angeordnet sein. Der I-Rotor 506 kann mehrere Bleche 528 aufweisen, um Wirbelstromverlustprobleme, die während des Betriebs der PM-Maschine 502 auftreten, zu bewältigen. Außerdem können Zwischenstützscheiben 530 vorgesehen sein, um den axial angeordneten Blechen 528 des I-Rückschlussjochs 506 mechanischen Halt zu verleihen.
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Allgemein beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung einen Rotor, wobei der Rotor mindestens eine elektrisch isolierte Zwischenstützscheibe aufweist, die mit dem wenigstens einen Bolzen (bzw. Schraube) mechanisch verbunden ist. Ein nicht als beschränkend zu bewertendes Ausführungsbeispiel eines derartigen Rotors ist im Wesentlichen in 5 dargestellt, wobei die Zwischenstützscheiben 530 so angeordnet sind, dass sie mechanisch mit einem Ankerbolzen 520 verbunden sind und von dessen Umgebung mittels mindestens einer elektrischen Isolierung 536 elektrisch isoliert sind. Ausführungsbeispiele von Zwischenstützscheiben, die sich beispielsweise über die radialen Abmessungen des I-Rückschlussjochs hinaus erstrecken, sind in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten. Ein nicht als beschränkend zu bewertendes Ausführungsbeispiel einer derartigen Zwischenstützscheibe ist im Wesentlichen in 5 dargestellt, wobei sich die Zwischenstützscheiben 530 längs der Radialrichtung 540 über die Dicke 538 des I-Rückschlussjochs 506 hinaus erstrecken.
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Daher beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung allgemein eine Permanentmagnetmaschine (beispielsweise vom Typ 302, 402, 502), zu der ein Stator (beispielsweise vom Typ 308, 408, 508) und ein Rotor (beispielsweise vom Typ 304, 404, 504) gehören, der einen Rotorkern aufweist und der außerhalb des Stators und mit diesem konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rotorkern ein zusammenhängendes Volumen aufweist, das um eine Anzahl von Permanentmagneten (beispielsweise vom Typ 312, 412, 512) angeordnet ist, wobei das zusammenhängende Volumen sowohl einen durch die Permanentmagnete erzeugten magnetischen Fluss (beispielsweise vom Typ 332, 432, 532) unterstützt als auch einen mechanischen Halt und eine Eingrenzung für die Permanentmagnete während des Betriebs der Permanentmagnetmaschine bereitstellt. Spezielle nicht als beschränkend zu bewertende Ausführungsbeispiele der Permanentmagnetmaschine beinhalten von innen nach außen gekehrte Ausführungsbeispiele, beispielsweise die Ausführungsbeispiele 302, 402 und 502.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet das zusammenhängende Volumen ein Rückschlussjoch (beispielsweise vom Typ 306, 406, 506). In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, beispielsweise in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, enthält das Rückschlussjoch 506 (d. h. das ”zusammenhängende Volumen”) mehrere Bleche (beispielsweise vom Typ 528), die in einer axialen Richtung 534 ausgerichtet sind (5). In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, beispielsweise in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, vervollständigt das Rückschlussjoch 306 (d. h. das ”zusammenhängende Volumen”) einen Flussweg für den magnetischen Fluss (beispielsweise vom Typ 332), der durch die Permanentmagnete (beispielsweise vom Typ 312) erzeugt wird.
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Das I-Rückschlussjoch (beispielsweise vom Typ 506) kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das über Eigenschaften verfügt, die erforderlich sind, um ihm die Durchführung der oben erörterten elektromagnetischen und mechanischen Funktionen zu ermöglichen. Eine Dicke 538 in einer Radialrichtung 540 des I-Rückschlussjochs 506, die erforderlich ist, um dem I-Rückschlussjoch 506 zu ermöglichen, seine elektromagnetischen und mechanischen Funktionen durchzuführen, hängt von Faktoren ab, die dem Fachmann in der Regel bekannt sind. Solche Faktoren beinhalten beispielsweise die (elektromagnetischen und mechanischen) Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem das I-Rückschlussjoch hergestellt ist, die Masse des I-Rückschlussjochs, den Radius des I-Rückschlussjochs, die Drehzahl, mit der die PM-Elektromaschine (von der das I-Rückschlussjoch eine Komponente ist) laufen soll, die Anforderungen an Betriebssicherheitsgrenzen der PM-Elektromaschine und dergleichen.
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Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der Werkstoffe, auf denen das I-Rückschlussjoch basieren kann, beinhalten ferromagnetische Werkstoffe hoher Festigkeit, beispielsweise hochfeste magnetische Stahl- oder Kobaltlegierungsstoffe, zu denen Aermet 100, Aermet 310, Aermet 340 und AF1410 gehören. 6 zeigt einen Graphen 600 berechneter exemplarischer Daten 604 einer Änderung der längs der Ordinate 606 abgetragenen Fließgrenze des I-Rückschlussjochs (beispielsweise vom Typ 506) in Abhängigkeit von der längs der Abszisse 608 abgetragenen radialen Dicke ”Tring” (beispielsweise vom Typ 538) des I-Rückschlussjochs. Die in 6 dargestellten Daten wurden für einen Rotor (beispielsweise vom Typ 504) mit einem Außendurchmesser (der beispielsweise doppelt so groß wie der äußere Radius vom Typ 544 ist) von etwa 300 Millimeter berechnet, wobei die radiale Dicke (beispielsweise vom Typ 542) der Permanentmagnete (beispielsweise vom Typ 512) etwa 14 Millimeter betrug. Für die Zwecke der Berechnung betrugen die für den Rotors geforderten Betriebsnennwerte mindestens: eine Überdrehzahlkapazität von 120% und eine nominale Betriebsdrehzahl von etwa 12.000 Umdrehungen pro Minute. Wie dem Fachmann klar, tritt in dem I-Rückschlussjoch eine Zentripetalspannung auf, die der Zentripetalkraft entgegenwirkt, die infolge eines solchen Betriebs darauf ausgeübt wird. Dem Fachmann wird auch einleuchten, dass die Fähigkeit des I-Rückschlussjochs, der Zentripetalspannung standzuhalten, durch die Fließgrenze des Werkstoffs begrenzt ist, aus dem das I-Rückschlussjoch hergestellt ist.
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Weiter ist in 6 eine repräsentative Fließgrenzenbedingung der (oben erörterten) Kobaltlegierungsstoffe 610 gemeinsam mit einer repräsentativen Fließgrenzenbedingung herkömmlicher Nickelsuperlegierungen 612 angezeigt. Es ist offensichtlich, dass die Fließgrenzen von Kobaltlegierungen 610 wesentlich höher sind als die Fließgrenzen herkömmlicher Nickelsuperlegierungen 612. Für den Fachmann geht aus dem Graphen 600 klar hervor, das aus Kobaltlegierungsstoffe hergestellte I-Rückschlussjoche Betriebsnennleistungen, die mit aus Nickelsuperlegierungen hergestellten Rückschlussjochen vergleichbar sind, aufweisen können, und dies unter Verwendung reduzierter radialer Dicken. Beispielsweise ist anhand des Graphen 600 offensichtlich, dass ein aus einer Kobaltlegierung hergestelltes I-Rückschlussjoch eine radiale Dicke von etwa 3,5 Millimeter aufweisen muss, um die oben erwähnte Betriebsnennleistung zu liefern. Im Vergleich dazu muss ein aus herkömmlichen Nickelsuperlegierungen hergestelltes Rückschlussjoch eine radiale Dicke von etwa 9 Millimeter aufweisen, um die oben erwähnte Betriebsnennleistung zu liefern. D. h., bei weitgehender Beibehaltung sonstiger Faktoren würde ein Einsatz von Kobaltlegierungen voraussichtlich eine wesentliche Reduzierung (im vorliegenden Fall etwa 72%) der erforderlichen radialen Dicke und damit einhergehend eine Senkung der Material- und Herstellungskosten eines Rückschlussjochs ermöglichen. Der Einsatz von Kobaltlegierungen für die Herstellung von I-Rückschlussjochen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ist in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
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Während die Erfindung lediglich anhand einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
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Es wird beantragt, die folgenden Patentansprüche als neu und gewünscht unter den Schutz einer US-Patenturkunde zu stellen:
Offenbart ist eine Permanentmagnetmaschine 302. Die Permanentmagnetmaschine enthält einen Stator 308 und einen Rotor 304, der einen Rotorkern aufweist, und der außerhalb des Stators und mit diesem konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rotorkern ein zusammenhängendes Volumen 306 aufweist, das um eine Anzahl von Permanentmagneten 312 angeordnet ist, wobei das zusammenhängende Volumen gleichzeitig einen magnetischen Fluss 332 unterstützt, der durch die Permanentmagnete erzeugt wird, und einen mechanischen Halt und eine Eingrenzung für die Permanentmagnete während des Betriebs der Permanentmagnetmaschine bereitstellt. Außerdem ist ein Rotor für eine Permanentmagnet-Elektromaschine offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schematische Darstellung
- 102
- Permanentmagnet-(PM)-Elektromaschine
- 104
- Rotor einer PM-Elektromaschine 102
- 106
- Stator einer PM-Elektromaschine 102
- 108
- Permanentmagnete
- 110
- Rotorrückschlussjoch
- 112
- Radialrichtung des Rotors 102
- 114
- Mehrere Schlitze des Stators 106
- 116
- Permanentmagnet
- 118
- Nordpol des Permanentmagneten 116
- 120
- Südpol des Permanentmagneten 116
- 122
- Geometrische Mitte der PM-Elektromaschine 102
- 124
- Elektromagnetischer Fluss
- 126
- Drehgeschwindigkeit
- 128
- Zentripetalkraft
- 130
- Statorschlitz
- 132
- Querschnitt
- 200
- Radiale Schnittansicht
- 202
- Rotor 104 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 204
- Permanentmagnet 116 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 206
- Rotorrückschlussjoch 110 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 208
- Statorschlitz 130 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 210
- Elektromagnetische Spule 134 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 212
- Welle
- 214
- Stützrahmen
- 216
- Eine oder mehrere Lagerscheiben
- 218
- Kugellager
- 222
- Radiale Dicke des Rotors 104 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 224
- Sicherungsring
- 226
- Radiale Dicke des Sicherungsrings 224 in einer radialen Schnittansicht entlang der Schnittlinie 132
- 302
- PM-Elektromaschine
- 304
- Rotor
- 306
- I-Rückschlussjoch
- 308
- Stator
- 312
- Permanentmagnete
- 314
- Stützrahmen
- 316
- Rotorverschlusskegel
- 318
- Kugellager
- 320
- Befestigungsmittel
- 322
- Lüftungsöffnungen
- 324
- Lüftungsschaufeln oder -rippen
- 332
- Elektromagnetischer Fluss
- 334
- Axialrichtung
- 336
- Dicke in einer Radialrichtung 338
- 338
- Radialrichtung
- 402
- PM-Elektromaschine
- 404
- Rotor
- 406
- I-Rückschlussjoch
- 408
- Stator
- 412
- Permanentmagnete
- 414
- Stützrahmen
- 416
- Rotorverschlusskegel
- 418
- Kugellager
- 420
- Ankerbolzen
- 422
- Breite der PM-Elektromaschine
- 424
- Elektrische Isolierung
- 426
- Elektrische Isolierung
- 428
- Bleche
- 432
- Elektromagnetischer Fluss
- 434
- Axialrichtung
- 436
- Rückschlussjochblechzwischenraum
- 438
- Rückschlussjochblechzwischenraum
- 440
- Permanentmagnetsegmentzwischenraum
- 442
- Permanentmagnetsegmentzwischenraum
- 444
- Segmente des Permanentmagneten 410
- 446
- Radialrichtung
- 448
- Seite des Segment 456, die dem Zwischenraum 440 entspricht
- 450
- Winkel zwischen der Seite des Segment und der Radialrichtung 446 (nicht dargestellt)
- 452
- Gegenüberliegendes Ende
- 454
- Gegenüberliegendes Ende
- 456
- Segment
- 502
- PM-Elektromaschine
- 504
- Rotor
- 506
- I-Rückschlussjoch
- 508
- Stator
- 512
- Permanentmagnete
- 514
- Stützrahmen
- 516
- Rotorverschlusskegel
- 518
- Kugellager
- 520
- Ankerbolzen
- 522
- Breite der PM-Elektromaschine
- 524
- Elektrische Isolierung
- 526
- Elektrische Isolierung
- 528
- Anzahl von Blechen
- 530
- Zwischenstützscheiben
- 532
- Elektromagnetischer Fluss
- 534
- Axialrichtung
- 536
- Elektrische Isolierung
- 538
- Radiale Dicke des Rotors 504
- 540
- Radialrichtung
- 542
- Radiale Dicke der Permanentmagnete 512
- 544
- Äußerer Radius des Rotors 504
- 600
- Graph
