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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Rotoreinbausysteme und insbesondere Permanentmagnetrotor-Einbausysteme, einschließlich derjenigen, die eine Vor-Ort-Magnetisiereinrichtung oder Magneteinführvorrichtung aufweisen.
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Die Montage von Generatoren, Motoren und anderen elektrischen Maschinen, die Permanentmagnete enthalten, erfordert spezielle Handhabungssysteme und Sicherheitsmaßnahmen, da die Größen und/oder Stärken der Magnete zunehmen. D. h., dass die großen Permanentmagnete, die in derartigen Maschinen eingesetzt werden, Magnetkräfte und -felder von einer derartigen Stärke zeigen, dass ihre Handhabung für diejenigen, die mit der Montage der Maschinen befasst sind, gefährlich ist. Die Handhabungssysteme und Sicherheitsmaßnahmen für derartige Montage erfordern höhere Kosten und Komplexität.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform ergibt die Erfindung ein Rotoreinbausystem, das aufweist: wenigstens eine Magnetisiereinrichtung zur dauerhaften Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials; und einen Aufnahmedorn zur Aufnahme eines Rotors, der wenigstens einen Abschnitt aufweist, der ein ferromagnetisches Material enthält, wobei die wenigstens eine Magnetisiereinrichtung relativ zu dem Aufnahmedorn positioniert ist, um eine dauerhafte Magnetisierung des ferromagnetischen Materials zu ermöglichen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt ein Rotoreinbausystem, das aufweist: einen Aufnahmedorn zur Aufnahme eines Rotors; und eine Magneteinführvorrichtung zur Einführung mehrerer Permanentmagnete in den Rotor hinein.
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Eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt ein Rotoreinbausystem, das aufweist: einen Aufnahmedorn; ein längliches Element, das mit dem Aufnahmedorn verbunden und ins Innere eines rohrförmigen Elementes einführbar ist; und eine Schweißvorrichtung, die zur Bildung einer Schweißverbindung im Inneren des rohrförmigen Elementes mit dem länglichen Element verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, leichter verstanden, in denen:
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1–5 ein Rotoreinbausystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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6A–6B ein Rotoreinbausystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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7 eine Vorderansicht eines Rotors zeigt;
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8 eine Magneteinführvorrichtung zeigt, die in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird und eingerichtet ist, um einen oder mehrere Permanentmagnete in den Rotor nach 7 einzuführen; und
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9A–9D Komponenten eines Rotoreinbausystems gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen, die zur Bildung von Schweißverbindungen zwischen Komponenten einer elektrischen Maschine nützlich ist.
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Es ist zu bemerken, dass die Zeichnungen von der Erfindung nicht maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung zeigen und sollten folglich nicht in einem den Umfang der Erfindung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen kennzeichnet gleiche Bezifferung gleiche Elemente in den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1–5 zeigen ein anschauliches Betriebsverfahren zum Magnetisieren und Einbauen eines Rotors unter Verwendung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Indem nun auf 1 Bezug genommen wird, ist ein Rotoreinbausystem 1000 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Das Rotoreinbausystem 1000 enthält einen Aufnahmedorn 1100 zur Aufnahme und Sicherung eines Rotors, eine Magnetisiereinrichtung 1200 zur Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials innerhalb eines derartigen Rotors, einen Träger 1300 für einen Generator, Motor oder eine ähnliche Vorrichtung, die einen Stator aufweist und in der der Rotor eingebaut sind, und einen Antriebsmotor 1400, der in der Lage ist, den Rotor innerhalb des Stators zu drehen, wenn er eingebaut ist. Um einen Einbau des Rotors zu unterstützen, weist das System 1000 ferner Schienen 1110A–B auf, entlang derer der Aufnahmedorn 1100 sich bewegen kann (d. h. entlang des Wegs A). Weitere Komponenten und/oder Modifikationen des Systems 1000 werden für einen Fachmann auf dem Gebiet bekannt sein und liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Z. B. kann der Aufnahmedorn 1100 oder ein Teil desselben unabhängig bewegbar sein, wodurch die Notwendigkeit der Schienen 1110A–B entfällt.
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In 2 ist ein Rotor 2100 veranschaulicht, wie er an dem Aufnahmedorn 1100 befestigt ist, während ein Motor 2200 einen Stator aufweist, der an dem Träger 1300 befestigt ist. Wie ersehen werden kann, enthält der Rotor 2100 mehrere ferromagnetische Materialien 2110A, 2110B...2110n entlang seines Umfangs. Die ferromagnetischen Materialien 2110A–n können z. B. eines oder mehrere der Materialien Eisen, Nickel, Kobalt, Eisen-Aluminiumlegierungen, Nickel-Aluminiumlegierungen, Kobalt-Aluminiumlegierungen, Eisen enthaltende Keramikmischungen, Nickel enthaltende Keramikmischungen, Kobalt enthaltende Keramikmischungen und Neodym-Eisen-Bor-Legierungen. Diese Materialien sind lediglich für die Zwecke der Veranschaulichung angegeben und nicht dazu gedacht, beschränkend zu sein. Andere ferromagnetische Materialien werden für Fachleute auf dem Gebiet bekannt sein und liegen in dem Umfang der Erfindung.
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In 3 wird durch die Magnetisiereinrichtung 1200 ein Magnetfeld 1210 erzeugt, wobei das Magnetfeld 1210 eine hinreichende Stärke aufweist, um den ferromagnetischen Materialien 2110A–n ein Maß an Magnetismus zu verleihen. Z. B. bewegt der Aufnahmedorn 1100 in der Ausführungsform nach 3 den Rotor entlang des Wegs B (d. h. in einer Umfangsrichtung), um inkrementell Teile der ferromagnetischen Materialien 2110A–n dem Magnetfeld 1210 auszusetzen. D. h., der Aufnahmedorn 1100 dreht den Rotor 2100 durch das Magnetfeld 1210, um die ferromagnetischen Materialien 2110A–n zu magnetisieren. In einigen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, dass der Aufnahmedorn 1100 auch entlang des Wegs C (d. h. in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung) bewegt werden kann, um während der Magnetisierung eine Konzentrizität des Rotors 2100 zu schaffen. Eine derartige Bewegung entlang des Wegs C kann ferner beim Einbau des Rotors 2100 in einen Stator des Motors 2200 helfen, wie dies nachstehend beschrieben ist.
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4 zeigt den Rotor 2100 mit seinen nun magnetisierten ferromagnetischen Materialien, die in den Stator des Rotors 2100 eingebaut werden. Ein derartiger Einbau wird in der hier veranschaulichten Ausführungsform bewerkstelligt, indem der Aufnahmedorn 1100 entlang des Wegs A (d. h. in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung) unter Verwendung der Schienen 1110A–B und erforderlichenfalls entlang des Wegs C bewegt wird, um den Rotor 2100 und den Stator genau miteinander auszurichten. Eine Bewegung entlang eines der Wege A und C oder entlang beider kann z. B. durch Verwendung hydraulischer, pneumatischer, elektrischer und/oder sonstiger Vorrichtungen unterstützt werden, wie dies von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird. Der speziell verwendete Mechanismus bzw. die speziell verwendeten Mechanismen ist/sind natürlich nicht wesentlich, und es kann/können ein beliebiger Mechanismus bzw. beliebige Mechanismen, der die eine Bewegung entlang der Wege A und C (oder beliebiger sonstiger nachstehend beschriebener Wege) unterstützt/unterstützen, eingesetzt werden.
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In 5 ist der Rotor 2100 innerhalb des Motors 2200 eingebaut worden. Der Einbau kann getestet werden, indem der Antriebsmotor 1400 verwendet wird, um den Rotor 2100 innerhalb des Stators des Motors 2200 zu drehen, um unter anderem festzustellen, dass der Rotor 2100 richtig ausgewogen ist. In einigen Ausführungsformen ist der Antriebsmotor 1400 ein Motor mit variabler Drehzahl, der in der Lage ist, den Rotor 2100 von einer sehr niedrigen Drehzahl bis zu einer Betriebsdrehzahl zu drehen.
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Je nach der Größe, Art, etc. des Rotors, des ferromagnetischen Materials, des Stators, etc. können natürlich Modifikationen an oder Veränderungen von dem System 1000 gemäß den 1–5 erforderlich oder erwünscht sein. Z. B. können Rotoren, die eine länglichere Gestalt als die in den 1–5 veranschaulichte aufweisen, mit einer „Durchgangs”-Magnetisiereinrichtung, die im Wesentlichen den gesamten oder einen Teil eines derartigen Rotorumfangs an verschiedenen Punkten entlang seiner axialen Längserstreckung umgibt, leichter magnetisiert werden. Eine derartige Ausführungsform ist in den Figuren 6A–B veranschaulicht. In 6A ist der Rotor 2102 wieder an dem Aufnahmedorn 1212 angebracht, der entlang der Wege A und C (d. h. im Wesentlichen in horizontaler und vertikaler Richtung) bewegbar ist. Die Magnetisiereinrichtung 1202 ist jedoch dazu eingerichtet, den Rotor 2102 zu umgeben und beim Induzieren eines Magnetfeldes die (nicht veranschaulichten) ferromagnetischen Materialien innerhalb des Rotors 2102 zu magnetisieren.
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6B zeigt, wie der Aufnahmedorn 1112 den Rotor 2102 durch die Magnetisiereinrichtung 1202 hindurchfährt. Das Magnetfeld 1212 magnetisiert die ferromagnetischen Materialien, um einen magnetisierten Abschnitt 2102B des Rotors 2102 zu ergeben. Ein nicht magnetisierter Abschnitt 2102A des Rotors 2102, der noch durch die Magnetisiereinrichtung 1202 hindurchtreten soll, wird zunehmend durch die Magnetisiereinrichtung 1202 hindurchgeführt, bis die ferromagnetischen Materialien des gesamten Rotors 2102 magnetisiert sind.
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Ausführungsformen mit „Durchgangs”-Magnetisiereinrichtungen, wie den in den 6A–B veranschaulichten, können bei der Magnetisierung von Rotoren für elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschinen (HSEMs, High-Speed Electrical Machines) nützlich sein, die aufgrund ihrer hohen Drehgeschwindigkeit und dazu gehöriger hoher Fliehkräfte häufig einen Haltering oder eine ähnliche Vorrichtung zur Sicherung der ferromagnetischen Materialien innerhalb des Rotors verwenden. Um den ferromagnetischen Materialien ein gewünschtes Maß an Magnetismus zu verleihen, ist folglich häufig ein starkes Magnetfeld erforderlich. Die Erzeugung eines derartigen starken Magnetfeldes sowie seine gleichmäßige Aufbringung auf den Rotor lassen sich leichter bewerkstelligen, indem eine „Durchgangs”-Magnetisiereinrichtung, wie beispielsweise die in den 6A–B veranschaulichte, eingesetzt wird.
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In einem weiteren Aspekt ergibt die Erfindung ein Rotoreinbausystem mit einer Magneteinführvorrichtung zur Einführung vormagnetisierter ferromagnetischer Materialien in einen Rotor. Somit ermöglicht ein derartiges System, wie bei den vorstehend beschriebenen Rotoreinbausystemen, ein Einführen eines Magneten und einen Rotoreinbau, ohne das Montagepersonal den starken Magnetkräften und -feldern auszusetzen, die durch große Permanentmagnete erzeugt werden.
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Z. B. zeigt 7 eine Vorderansicht eines Rotors 2100, der mehrere Schlitze 2120A, 2120B...2120n aufweist, die längs seines Umfangs im Abstand zueinander angeordnet sind. Es werden Permanentmagnete in die Schlitze 2120A–n eingeführt, wonach der Rotor ausgewuchtet und in einen Stator eines Generators, Motors oder einer sonstigen elektrischen Maschine eingebracht werden kann.
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8 zeigt eine Magneteinführvorrichtung 3000 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Magneteinführvorrichtung 3000 enthält einen Körper 3100, in dem Magnete enthalten sein können, mehrere Durchgänge 3110, 3112, 3114, 3116, und Stäbe 3200A–B, die in der Lage sind, durch einen Durchgang (z. B. 3114) hindurchzutreten, um einen Magneten aus dem Innenraum des Körpers 3100 in einen Schlitz des Rotors einzuführen. Die Durchgänge 3110–3116 sind in Bezug auf den Körper abgewinkelt veranschaulicht, obwohl dies nicht wesentlich ist. In der in 8 gezeigten veranschaulichenden Ausführungsform wird die Magneteinführung durch den Aufnahmedorn (z. B. 1100 in 1) unterstützt, der den Rotor 2100 in Bezug auf die Magneteinführvorrichtung 3000 dreht, bis ein Rotorschlitz (z. B. 2120B) mit einem Durchgang (z. B. 3112) der Magneteinführvorrichtung 3000 in einer Linie ausgerichtet ist. In anderen Ausführungsformen kann die Magneteinführvorrichtung 3000 anstatt des Rotors 2100 oder zusätzlich zu diesem gedreht werden. Ein Stab (z. B. 3200A) tritt dann durch den Durchgang 3112 (d. h. entlang des Wegs E) hindurch, um einen Magneten in den Schlitz 2120B einzuführen. Der Stab 3200A wird anschließend herausgezogen, und der Aufnahmedorn 1100 dreht den Rotor 2100, bis ein leerer Schlitz (z. B. 2120A) mit einem Durchgang der Magneteinführvorrichtung 3000 ausgerichtet ist. Wie vorstehend erwähnt, können hydraulische, pneumatische, elektrische und/oder sonstige Vorrichtungen und Mechanismen beim Drehen des Rotors 2100 und/oder Bewegen des Stabs 3200A–B entlang des Wegs E eingesetzt werden. Sobald Magnete in jedem der Schlitze 2120A–n eingeführt sind, kann der Rotor ausgewuchtet und in einen Stator eingesetzt werden, wie dies im Zusammenhang mit den 4–5 vorstehend beschrieben ist.
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In einem noch weiteren Aspekt ergibt die Erfindung ein Rotoreinbausystem, das eine Schweißvorrichtung zur Bildung von Schweißverbindungen in Rotoren und den elektrischen Maschinen, in denen die Rotoren eingebaut sind, aufweist. 9A–D zeigen eine Ausführungsform eines derartigen Systems und seine Anwendung. In 9A ist das Rotoreinbausystem 4000 veranschaulicht. Wie in den vorstehend beschriebenen Systemen enthält das System 4000 einen Aufnahmedorn 1114, der entlang der Wege A, B und C bewegbar ist. Mit dem Aufnahmedorn 1114 ist ein Schweißsystem 1500 verbunden, das ein längliches Element 1510 und eine Schweißvorrichtung 1530 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die Schweißvorrichtung 1530 um einen Umfang des länglichen Elementes 1510 (d. h. entlang des Wegs F) bewegbar. Die Schweißvorrichtung 1530 selbst enthält in einigen Ausführungsformen eine Dreheinheit 1532 zur Bewegung der Schweißvorrichtung 1530 um den Umfang des länglichen Elementes 1510 herum und einen Schweißbrenner 1534 zur Erzeugung der Schweißverbindungen. Schweißvorrichtungen, die zur Verwendung in einer derartigen Ausführungsform der Erfindung geeignet sind, umfassen z. B. diejenigen, die von Magnatech LLC (Fast Granby, CT) verfügbar sind, einschließlich ihrer Orbital-Schweißköpfe, wie beispielsweise des D Schweißkopfs Modell 420. Die Verwendung derartiger Vorrichtungen kann z. B. eine Neuausrichtung des Schweißbrenners 1534 erfordern, damit dieser nach außen von anstatt nach innen zu dem länglichen Element 1510 hin weist. Derartige Vorrichtungen enthalten häufig die Fähigkeit, eine Videokamera aufzunehmen, die in einigen Ausführungsformen zur Überprüfung der geschaffenen Schweißverbindungen nützlich sein kann.
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9B zeigt eine Querschnittsansicht der Bauart eines Rotors oder einer elektrischen Maschinenkomponente 2400, auf die das System 4000 angewandt werden kann. Hier weist die Komponente 2400 ein rohrförmiges Element 2410 und einen Balg 2420 auf. In diesem Beispiel soll der Balg 2420 an dem rohrförmigen Element 240 über eine Schweißverbindung an einer Innenseite des rohrförmigen Elementes gesichert werden. Andere Arten von Komponenten und Arten von Schweißverbindungen sind ebenfalls für das System 4000 zugänglich und liegen in dem Umfang der Erfindung. Das hier angegebene Beispiel dient lediglich Veranschaulichungszwecken.
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In 9C ist das Schweißsystem 1500 in das rohrförmige Element 2410 eingeführt worden, so dass der Schweißbrenner 1534 positioniert ist, um eine erste Schweißnaht W1 an einer Innenfläche des rohrförmigen Elementes 2410 zu erzeugen. Das Schweißsystem 1500 und/oder die Schweißvorrichtung 1530 kann/können anschließend entlang der Wege B und/oder F gedreht werden, um jeweils die erste Schweißnaht W1 zu verlängern und/oder weitere Schweißnähte entlang der Innenfläche des rohrförmigen Elementes 2410 zu bilden. In 9D ist das Schweißsystem 1500 auf diese Weise entlang des Wegs B gedreht worden, um eine nachfolgende Schweißnaht Wn zu erzeugen.
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Das vorstehend beschriebene Schweißsystem 1500 kann z. B. verwendet werden, um Schweißverbindungen zwischen Komponenten eines Rotors, zwischen Komponenten eines Rotors und eines Stators oder zwischen beliebigen Komponenten einer elektrischen Maschine zu bilden. Die vorstehende Beschreibung ist lediglich für Veranschaulichungszwecke angegeben.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher zugehöriger oder enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Rotoreinbausysteme und insbesondere Permanentmotor-Rotoreinbausysteme, die diejenigen mit einer Vor-Ort-Magnetisiereinrichtung 1200 oder einer Magneteinführvorrichtung 3000 enthalten. In einer Ausführungsform ergibt die Erfindung ein Rotoreinbausystem, das aufweist: wenigstens eine Magnetisiereinrichtung 1200 zur dauerhaften Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials 2110A, 2120B, 2102n; und einen Aufnahmedorn 1100 zur Aufnahme eines Rotors 2100, der wenigstens einen Abschnitt aufweist, der ein ferromagnetisches Material 2110A, 2110B...2102n enthält, wobei die wenigstens eine Magnetisiereinrichtung 1200 relativ zu dem Aufnahmedorn 1100 positioniert ist, um eine dauerhafte Magnetisierung des ferromagnetischen Materials 2110A, 2110B...2102n zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1000
- Rotoreinbausystem
- 1100, 1112, 1114
- Aufnahmedorn
- 1110A–B
- Schienen
- 1200, 1202
- Magnetisiereinrichtung
- 1210, 1212
- Magnetfeld
- 1300
- Träger
- 1400
- Antriebsmotor
- 1500
- Schweißsystem
- 1510
- Längliches Element
- 1530
- Schweißvorrichtung
- 1532
- Dreheinheit
- 1534
- Schweißbrenner
- 2100, 2102
- Rotor
- 2102A
- Nicht magnetisierter Abschnitt
- 2102B
- Magnetisierter Abschnitt
- 2110A, 2110B...2110n
- Ferromagnetische Materialien
- 2120A, 2120B...2120n
- Schlitze
- 2200
- Motor
- 2400
- Rotor oder elektrische Maschinenkomponente
- 2410
- Rohrförmiges Element
- 2420
- Balg
- 3000
- Magneteinführvorrichtung
- 3100
- Körper
- 3110, 3112, 3114, 3116
- Durchgänge
- 3200A–B
- Stäbe
- 4000
- Rotoreinbausystem
