DE102012220381A1

DE102012220381A1 - Polschuhanordnung für ein Maschinenelement einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102012220381A1
Application number: DE102012220381A
Authority: DE
Inventors: Silvio Semmer; Xavier Tourde; Adriana Cristina Urda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-10-17
Also published as: CN103378664A; US20130270950A1; DE102012220373A1; US20130270951A1; DE102012220387A1; CN103378663A; CN103378664B; DE102012220382A1; US9450459B2; US9287740B2; CN103378663B

Abstract

Offenbart wird eine Polschuhanordnung (100) für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine den Stator, den Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist. Die Polschuhanordnung (100) enthält ein Polschuhelement (101), welches ein inneres Ende (120) aufweist, das ausgebildet ist um in einem montierten Zustand des Polschuhelements (101) dem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüber zu liegen. Ferner weist das Polschuhelement (101) ein dem inneren Ende (120) entgegengesetztes äußeres Ende (122) auf. Zwischen dem inneren Ende (120) und dem äußeren Ende (122) weist das Polschuhelement (101) eine Aufnahmefläche (124) zum Aufnehmen eines Permanentmagneten auf. Ferner weist die Polschuhanordnung (101) eine Führungseinrichtung (126) für den Permanentmagnet auf, wobei die Führungseinrichtung (126) ausgebildet ist, um den Permanentmagnet in einer radialen Richtung (125) von dem äußeren Ende (122) zu dem inneren Ende (120) hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten quer zu der radialen Richtung (125) zu limitieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von elektrischen Maschinen, welche ein Maschinenelement aufweisen, das Magnete aufweist, insbesondere Permanentmagnete, und welches einen Stator oder einen Rotor der elektrischen Maschine bildet, wobei der Rotor bezüglich des Stators rotierbar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Polschuhanordnung für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen ein Maschinenelement in Form eines Rotors oder eines Stators und eine elektrische Maschine.
HINTERGRUND
Eine elektrische Maschine ist ein elektromechanischer Wandler, welcher eine Energieumwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie durchführt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Motor (kurz Motor) oder ein elektrischer Generator (kurz Generator) oder ein Motor/Generator sein, welcher sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar ist. Beispielsweise ist ein elektrischer Generator ist ein elektromechanischer Wandler, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Ein elektrischer Motor ist ein elektromechanischer Wandler, welcher elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung. Eine elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist eine Anordnung, welche den stationären Teil einer elektrischen Maschine repräsentiert. Der Rotor kann einen Teil oder Teile der elektrischen Maschine repräsentieren, welche sich relativ zu dem Stator bewegen, insbesondere relativ zu dem Stator rotieren. Der Rotor kann daher Magnete enthalten, wie beispielsweise Permanentmagnete, welche relativ zu einer oder mehreren Spulen, die in dem Stator enthalten sind, rotieren. In einer Form rotiert der Rotor um den Stator.
In üblichen Systemen werden der magnetisierte Rotor und der gewundene Stator als unabhängige Komponenten produziert und dann zusammengesetzt. Die Magnete sind eingebettet in eine zylindrische Rotorstahlstruktur zum Beispiel durch Kleben. Topologien des Rotors zur Flusskonzentration werden üblicherweise für elektrische Maschinen mit kleinerer Leistung verwendet. Jedoch sind in üblichen Anordnungen Magnete und Eisenteile nahe bei einander angeordnet, um eine Flusskonzentration zu erzielen. Jedoch sollen diese Topologien vor dem Zusammensetzen des Rotors und des Stators angeordnet werden.
Daher kann es ein Bedürfnis geben zum Erleichtern des Montierens von Permanentmagneten an einem Maschinenelement eines elektromechanischen Wandlers während eine verbesserte Flussverteilung innerhalb des Maschinenelements bereitgestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Bedürfnis kann befriedigt werden durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform eines ersten Aspekts der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Polschuhanordnung für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist. Die Polschuhanordnung enthält ein Polschuhelement, welches ein inneres Ende aufweist, wobei das innere Ende ausgebildet ist, um in einem montierten Zustand des Polschuhelements dem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüberzuliegen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement ein dem inneren Ende entgegengesetztes äußeres Ende auf, wobei das Polschuhelement zwischen dem inneren Ende und dem äußeren Ende eine Aufnahmefläche zum Aufnehmen eines Permanentmagneten aufweist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Polschuhanordnung eine Führungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um den Permanentmagnet in einer radialen Richtung von dem äußeren Ende zu dem inneren Ende hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten quer zu der radialen Richtung zu limitieren.
Soweit nichts anderes gesagt ist, bezeichnet hierin der Begriff „Luftspalt“ den Luftspalt zwischen Stator und Rotor der elektrischen Maschine. Der Begriff „elektrische Maschine“ bezeichnet hierein einen elektromechanischen Wandler, welcher ausgebildet ist, um mechanische Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln unter Verwendung einer Magnetfeldverbindung.
Gemäß einer Ausführungsform definiert der Rotor eine axiale Richtung, die parallel zu einer Rotationsachse des Rotors verläuft und eine Umfangsrichtung, welche parallel ist zu einer Bewegungsrichtung bzw. einer Bewegung eines Punktes auf dem Rotor bei einer Rotation des Rotors um seine Rotationsachse.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Aufnahmefläche zum Aufnehmen von mindestens einem Permanentmagneten, beispielsweise zwei oder mehr Permanentmagneten, vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Aufnahmefläche eine ebene Fläche. Eine ebene Fläche kann ein spaltfreies Anliegen eines quaderförmigen Permanentmagneten erlauben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Führungseinrichtung für eine Anordnung des Permanentmagneten neben der Führungseinrichtung ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung mindestens einen Vorsprung, welcher über die Aufnahmefläche vorsteht. Auf diese Weise bildet der Vorsprung für einen Permanentmagnet, welcher an der Aufnahmefläche anliegt, eine Anschlagfläche, welche den Permanentmagnet an einer Bewegung über die Position des Vorsprungs hinaus hindert. Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Vorsprung ausgebildet, um zwei oder mehr Permanentmagnete an einer Bewegung quer zu der radialen Richtung zu limitieren. Allgemein ist gemäß einer Ausführungsform die Führungseinrichtung vorgesehen, um den Permanentmagnet bei einer Einführbewegung in einer Richtung von dem äußeren Ende zu dem inneren Ende hin zu führen. Ferner ist gemäß einer Ausführungsform die Führungseinrichtung ausgebildet, um einen in seiner Endposition befindlichen Permanentmagnet an einer Bewegung quer zu der radialen Richtung zu hindern, beispielsweise beim Einfügen eines weiteren Permanentmagneten in der radialen Richtung zu dem in der Endposition befindlichen Permanentmagneten hin, um eine definierte Anordnung der beiden Permanentmagneten zu erlauben, selbst wenn die Permanentmagneten sich gegenseitig abstoßen.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung um eine Strecke über die Aufnahmefläche, die kürzer ist als die Erstreckung des Permanentmagneten senkrecht zu der Aufnahmefläche. Mit anderen Worten erstreckt sich gemäß einer Ausführungsform der Vorsprung nur über einen Teil der seitlichen Fläche des Permanentmagneten. Beispielsweise kann der Vorsprung nur um einige Millimeter (mm) über die Aufnahmefläche vorstehen. Die Breite des Vorsprungs kann ebenfalls im Bereich weniger Millimeter liegen, z.B. bei 2 mm bis 3 mm. Gemäß einer anderen Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung über die Aufnahmefläche um eine Distanz, welche größer ist als die Quererstreckung eines Permanentmagneten. Mit anderen Worten ist der Vorsprung gemäß einer Ausführungsform ausgebildet, um zwei oder mehr Permanentmagnete, die in einer Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, zu führen und in einer Bewegung quer zu der radialen Richtung zu limitieren. Hierbei können die beiden in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Permanentmagnete aneinander befestigt sein und beispielsweise eine Magnetbaugruppe bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Vorsprung monolithisch mit dem Polschuhelement ausgebildet. Folglich ist gemäß einer Ausführungsform, in welcher das Polschuhelement aus ferromagnetischem Material gebildet ist, auch der Vorsprung aus ferromagnetischem Material gebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist der Vorsprung in einem solchen Fall mit Abstand von einem gegenüberliegenden Polschuhelement, oder, wenn der Vorsprung einem weiteren Vorsprung eines gegenüberliegenden Polschuhelements gegenüberliegt, mit Abstand von dem Vorsprung des gegenüberliegenden Polschuhelements angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Vorsprung von einem separaten Element gebildet, welches an dem Polschuhelement befestigt ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement eine Nut auf und die Führungseinrichtung weist ein Führungselement auf, welches in die Nut eingesetzt ist. Das Führungselement kann ferromagnetisch sein, wobei in diesem Fall das Führungselement mit Abstand von einem gegenüberliegenden Polschuhelement oder mit Abstand von einer Führungseinrichtung des gegenüberliegenden Polschuhelements angeordnet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Führungselement nicht ferromagnetisch. In einem solchen Fall kann sich das Führungselement gemäß einer Ausführungsform zwischen zwei gegenüberliegenden Polschuhelementen erstrecken. Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform das Polschuhelement ein erstes Polschuhelement und die Polschuhanordnung weist ein zweites Polschuhelement auf. Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände sind das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement mit Abstand voneinander angeordnet in einer solchen Weise, dass eine Vertiefung zum Empfangen des Permanentmagneten gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vertiefung eingerichtet, um zwei oder mehr Permanentmagnete zu empfangen. Gemäß einer Ausführungsform ist in der Vertiefung eine Mehrzahl von Permanentmagneten angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform sind die Polschuhelemente ausgebildet, um eine quaderförmige oder abschnittsweise quaderförmige Vertiefung zu bilden, wobei die Quaderform eine rechtwinklige Quaderform ist. Diese Ausbildung der Polschuhelemente kann beispielsweise durch entsprechende geneigte Aufnahmeflächen realisiert sein. Innerhalb eines quaderförmigen Abschnitts der Vertiefung können beispielsweise mehrere Permanentmagnete angeordnet sein. Die quaderförmige bzw. abschnittsweise quaderförmige Vertiefung erlaubt die Verwendung von quaderförmigen Permanentmagneten, was die Herstellung und Montage der Permanentmagnete vereinfacht. Die quaderförmigen Permanentmagneten können eine Einheitsgröße aufweisen, wobei die quaderförmigen Permanentmagneten vorzugsweise zu einer Magnetbaugruppe zusammengesetzt und aneinander befestigt sind. In Verbindung mit den gestuften Polschuhelementen deren Breite zu ihrem radial äußeren Ende hin stufenförmig verringert ist, lassen sich so mit Permanentmagneten einheitlicher Größe vorteilhafte Formen von Magnetbaugruppen und zugehörigen Polschuhelementen realisieren.
Es versteht sich, dass die Begriffe „erstes Polschuhelement“ und „zweites Polschuhelement“ sich auf zwei beliebige gegenüberliegende Polschuhelemente der elektrischen Maschine beziehen können.
Gemäß einer Ausführungsform weist das zweite Polschuhelement eine Nut auf und das Führungselement ist in die Nut des ersten Polschuhelements und in die Nut des zweiten Polschuhelements eingesetzt und erstreckt sich zwischen dem ersten Polschuhelement und dem zweiten Polschuhelement. Wie oben erläutert, ist in diesem Fall das Führungselement vorzugsweise nicht ferromagnetisch, um eine Leckage von magnetischem Fluss zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Gemäß einer Ausführungsform sind zwischen zwei Führungseinrichtungen in radialer Richtung zwei oder mehr Aufnahmeflächen angeordnet, welche in Umfangsrichtung bezüglich einander versetzt sind. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass jedes Polschuhelement eine erste Breite in der Umfangsrichtung bei einer ersten radial inneren Position aufweist und eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position aufweist, wobei in der radialen Richtung die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht, wobei die zweite Breite kleiner als die erste Breite ist.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Polschuhanordnung und insbesondere der Polschuh entlang einer Längsrichtung, die quer zu einer Rotationsebene des Rotors verläuft. Beispielsweise erstreckt sich der Polschuh in einer Ausführungsform parallel zu der Rotationsachse des Rotors. Gemäß einer anderen Ausführungsform erstreckt sich das Polschuhelement schräg zu der axialen Richtung, wobei das innere Ende des Polschuhelementes auf einer Zylinderfläche liegt, um eine zylindrische Innenfläche des Maschinenelements und damit einen zylindrischen Luftspalt zu definieren.
Die in Längsrichtung weisenden Stirnflächen des Polschuhelements sind gemäß einer Ausführungsform von der benachbart zu ihnen angeordneten Führungseinrichtung mit Abstand von dieser Führungseinrichtung angeordnet, um so die an der Aufnahmefläche des Polschuhelements angeordneten Permanentmagneten auf Abstand zu der Stirnfläche zu halten. Dieser Abstand zwischen den durch die Führungseinrichtung geführten Magneten und den Stirnflächen des Polschuhelements bzw. zwischen den durch die Führungseinrichtung geführten Magneten und den Endplatten, die an den Stirnflächen des Polschuhelements befestigt sind, wird eine Leckage von magnetischem Fluss reduziert.
Zusammenfassend kann die Führungseinrichtung somit Vorsprünge, beispielsweise in Form von Führungsrippen, oder Nuten, in welchen nicht-ferromagnetische Führungselemente angeordnet sind, oder durch jedes andere geeignete Mittel zum Führen von Permanentmagneten oder Limitieren einer Bewegung der Permanentmagnete quer zu der radialen Richtung, gebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von parallelen Führungseinrichtungen, beispielsweise Führungsrippen an dem Polschuhelement angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Führungselementen den Abmessungen der Permanentmagnete in der Längsrichtung entspricht, so dass jeder Permanentmagnet in der Längsrichtung des Polschuhelementes zwischen zwei Führungseinrichtungen fixiert ist. Dies hat den Vorteil, dass identische quaderförmige Permanentmagnete verwendet werden können, was den Aufbau und die Montage der Polschuhanordnung erleichtert. Gemäß einer Ausführungsform werden die Magnete in der radialen Richtung von außen nach innen in die Vertiefung zwischen zwei Polschuhelementen eingefügt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet oder die Permanentmagnete, auf die hierin Bezug genommen wird, Teil einer Magnetbaugruppe, die mindestens zwei Permanentmagnete aufweist, die aneinander befestigt sind, um so eine Handhabung der mindestens zwei Permanentmagnete als ein einziges Stück erlauben. Dies erleichtert die Montage des Maschinenelements bzw. die Montage der Permanentmagnete in der Vertiefung zwischen zwei gegenüberliegenden Polschuhelementen. Gemäß einer Ausführungsform werden nicht einzelne Magnete, sondern Magnetbaugruppen, die zwei oder mehr einzelne Magnete enthalten, in die Vertiefung eingeführt. Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Form der Magnetbaugruppe der Form der Vertiefung, wobei jede Magnetbaugruppe zwischen zwei Führungseinrichtungen angeordnet ist.
Die Vorsprünge und Nuten sind gemäß einer Ausführungsform aus demselben Material wie das Polschuhelement gebildet und können gemäß einer Ausführungsform bei der Herstellung des Polschuhelementes durch entsprechendes Bearbeiten eines Polschuhelementrohlings gebildet sein. Bei der Lösung, welche zwei gegenüberliegende Nuten in zwei Polschuhen und ein sich dazwischen erstreckendes Führungselement verwendet, ist das Führungselement aus einem nicht ferromagnetischen Material gebildet, welches die Magnetbaugruppen mechanisch an Ort und Stelle hält. Die Führung der Magnetbaugruppen in der radialen Richtung erleichtert die Montage des Maschinenelements, welches die Polschuhelemente und die Magnetbaugruppen aufweist. Ebenso wird eine Wartung vereinfacht, da die Magnetbaugruppen auf einfache Weise eingefügt und herausgenommen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform eines zweiten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Maschinenelement einer elektrischen Maschine bereitgestellt, wobei das Maschinenelement entweder einen Rotor oder einen Stator der elektrischen Maschine bildet, das Maschinenelement enthaltend: eine Polschuhanordnung gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände; und einen Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet an der Aufnahmefläche der Polschuhanordnung angeordnet ist und durch die Führungseinrichtung an einer Bewegung quer zu der radialen Richtung limitiert ist. Allgemein umfasst ein Limitieren einer Bewegung quer zu der radialen Richtung ein Fixieren quer zu der radialen Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Permanentmagnet ein Permanentmagnet von einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die eine Magnetbaugruppe bilden. Wie oben erläutert, sind gemäß einer Ausführungsform die Permanentmagnete einer Magnetbaugruppe aneinander befestigt, so dass die gesamte Magnetbaugruppe in die Polschuhanordnung des Maschinenelements eingefügt werden kann. Das Einfügen erfolgt gemäß einer Ausführungsform in einer radialen Richtung, die von einem äußeren Ende des Polschuhelements zu einem inneren Ende des Polschuhelements gerichtet ist, wobei das innere Ende des Polschuhelements einem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüberliegt.
Gemäß Ausführungsformen des zweiten Aspektes ist das Maschinenelement angepasst zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Bereitstellen der Funktionalität, wie sie für eine oder mehrere der vorstehend genannten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere für die Ausführungsformen des ersten Aspektes.
Gemäß einer Ausführungsform eines dritten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die elektrische Maschine enthaltend einen Stator und einen Rotor, wobei entweder der Rotor oder der Stator durch ein Maschinenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist entweder der Rotor oder der Stator durch ein Maschinenelement gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände ausgebildet und ein weiteres Maschinenelement ist als das andere von dem Rotor und dem Stator gebildet, wobei das Maschinenelement radial außerhalb des weiteren Maschinenelements angeordnet sein kann. Beispielsweise kann das Maschinenelement einen Rotor der elektrischen Maschine bilden und die elektrische Maschine kann als Außenläufer ausgebildet sein, wobei der Rotor um den Stator rotierbar ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor radial innerhalb des Stators rotierbar angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände ist die elektrische Maschine angepasst zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Bereitstellen der Funktionalität, wie sie durch eine oder mehrere der vorstehend genannten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten und/oder des zweiten Aspektes.
Gemäß eines vierten Aspektes der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Verfahren zum Montieren eines Maschinenelements einer elektrischen Maschine bereitgestellt, das Verfahren enthaltend: Bereitstellen einer Polschuhanordnung, welche zwei Polschuhelemente aufweist, die eine Vertiefung zwischen sich bilden, wobei jedes Polschuhelement ein inneres Ende und ein dem inneren Ende entgegengesetztes äußeres Ende aufweist und wobei das innere Ende ausgebildet ist, um in einem montierten Zustand des Polschuhelements einem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüberzuliegen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bereitstellen einer Führungseinrichtung, welche ausgebildet ist, um einen Permanentmagnet in einer radialen Richtung von dem äußeren Ende zu dem inneren Ende hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten quer zu der radialen Richtung zu limitieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ein radiales Einführen des Permanentmagneten in die Vertiefung, wobei die Führungseinrichtung den Permanentmagnet während des radialen Einführens in einer Bewegung quer zu der radialen Richtung limitiert.
Gemäß Ausführungsformen des vierten Aspektes ist das Verfahren eingerichtet zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie von einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsformen erfordert wird, insbesondere der Ausführungsformen des ersten, des zweiten und/oder des dritten Aspektes.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände beschrieben, wobei die nachstehenden Ausführungsformen beliebig mit den vorstehenden Ausführungsformen kombinierbar bzw. auf die vorstehenden Ausführungsformen anwendbar sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierein offenbarten Gegenstände wird die Polschuhanordnung für ein Maschinenelement (z. B. einen Rotor) einer elektrischen Maschine bereitgestellt, insbesondere für ein Direktantriebs-Außenrotorgenerator-Konzept, bei welchem die elektrische Maschine einen Stator und den Rotor umfasst, welcher um den Stator rotierbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Polschuhanordnung ein erstes Polschuhelement, welches aus ferromagnetischem Material gebildet ist, und ein zweites Polschuhelement, welches aus ferromagnetischem Material gebildet ist, wobei das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an einer Trägerstruktur, beispielsweise an einer Rotorträgerstruktur, befestigt sind. Das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement erstrecken sich in axialer Richtung des Rotors und sind bezüglich einander in einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet in solch einer Weise, dass die Vertiefung gebildet ist zum Empfangen einer Magnetbaugruppe. Jedes Polschuhelement hat in der Umfangsrichtung eine erste Breite bei einer ersten radial inneren Position und hat in der Umfangsrichtung eine zweite Breite bei einer zweiten radial äußeren Position, wobei in der radialen Richtung die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig übergeht, und wobei die zweite Breite kleiner ist als die erste Breite.
Der Begriff „Trägerstruktur“ kann in diesem Zusammenhang auf eine Struktur eines Maschinenelements, beispielsweise eines Rotors Bezug nehmen, an welcher alle notwendigen Elemente befestigt sind.
Der Begriff „Polschuhelement“ bezieht sich allgemein auf magnetische Elemente, welche eine Flussverteilung des von den Magneten bereitgestellten Flusses liefern. Die Polschuhelemente können Stahlstäbe, beispielsweise Stahlrotorstäbe sein, welche die Magneten und den magnetischen Fluss aufnehmen können. In üblichen Systemen ist ein Polschuh angeordnet als ein separates Element zwischen Magneten, wobei der Polschuh an der Rotoroberfläche befestigt ist mit Spalten zwischen den Polschuhen und den Magneten. Durch Verwenden der hierin beschriebenen Polschuhanordnung kann eine verbesserte Verteilung des magnetischen Feldes, welches durch den Rotor fließt, erzielt werden, während ebenso eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Magneten geliefert wird. Pole zwischen den Polschuhelementen können durch die Magnete geliefert sein.
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Polschuhanordnung mit stufenförmig sich verändernden Breiten basieren auf der Idee, dass unter Verwendung der beschriebenen Anordnung eine verbesserte Montage des außenliegenden Maschinenelements erreicht werden kann, da die Magneten in das Maschinenelement eingefügt werden können, nachdem der Rotor und der Stator zusammengesetzt worden sind. Die Basis der beschriebenen Anordnung ist es, die Konstruktion der Oberflächen montierten Permanentmagnet-Topologie-Maschinenelemente zu modularisieren, während auch die Flusskonzentration oder Verteilung verbessert wird. Selbst wenn jedoch das Maschinenelement ein innenliegendes Maschinenelement bildet, wird jedenfalls die Montage des Permanentmagnets (der Permanentmagnete) durch Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, welche ein Einfügen des Permanentmagnets in das Maschinenelement in der radialen Richtung ermöglichen, erleichtert.
Durch Verwenden der beschriebenen Anordnung kann eine vollständig modulare Maschinenelementoberfläche bereitgestellt werden, wobei die gesamte dem Luftspalt gegenüberliegende Oberfläche des Maschinenelements aus separaten Komponenten hergestellt ist. Da gemäß einer Ausführungsform alle Komponenten, z.B. Polschuhelemente und Magnete radial von außen zugänglich sind, kann eine Wartung und Reparatur des Maschinenelements insbesondere von Magneten, die versagt haben, leichter sein.
Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände sind das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an der Trägerstruktur durch Bolzen fixiert. Die Trägerstruktur kann verschiedene Teile aufweisen, an welchen die Polschuhelemente fixiert sein können. In einer anderen Ausführungsform ist das erste Polschuhelement und das zweite Polschuhelement an der Trägerstruktur durch Kleben oder Bolzen oder eine andere Befestigungsmaßnahme fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das ferromagnetische Material magnetischer Stahl. Die Zusammensetzung des magnetischen Stahls kann variieren, solange der magnetische Stahl eine ferromagnetische Charakteristik liefert zum Aufnehmen des Flusses der Magnete.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Teil von jedem Polschuhelement, welches an einem radial nach innen gerichteten Ende des Maschinenelements angeordnet ist, als ein Laminierungsstrukturteil ausgebildet sein.
Eine Laminierungsstruktur kann verwendet werden zum Reduzieren von Wirbelstromverlusten, welche in solch einem Maschinenelement auftreten können. Insbesondere dieser Teil der Polschuhelemente kann aus laminierten Stahlblechen gefertigt sein. Der Rest der Polschuhelemente kann in der Form einer massiven Struktur sein. Dies kann eine gute Stabilität der Polschuhelemente und eine gute Verteilung des Flusses liefern. Die Laminierung kann in axialer oder Umfangsrichtung vorliegen, entsprechend dem dem Maschinenelement gegenüberliegenden weiteren Maschinenelement, welches beispielsweise ein Stator sein kann, wenn das Maschinenelement einen Rotor der elektrischen Maschine bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das Laminierungsstrukturteil in einem Querschnitt senkrecht zu der axialen Richtung des Rotors eine Trapezform.
Allgemein kann das Polschuhelement gemäß einer Ausführungsform einen radial inneren Teil aufweisen, welcher das innere Ende des Polschuhelements umfasst, und wobei der radial innere Teil in seinem Querschnitt trapezförmig ist, auf eine Weise, dass die Breite des radial inneren Teils in einer Richtung radial nach außen abnimmt. Der Begriff „Breite des Polschuhelements“ bezieht sich hier und allgemein hierin auf die Abmessung des Polschuhelements in Umfangsrichtung.
Dadurch, dass sie in ihrem radial inneren Teil in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung des Rotors den trapezförmigen Querschnitt haben, können die Polschuhelemente nahe zueinander angeordnet werden, wobei die Spitzen der Trapeze aneinander anstoßen können. Gemäß anderer Ausführungsform können die Spitzen der Trapeze benachbarter Polschuhelemente mit Abstand voneinander angeordnet sein. Wenn die Magnetbaugruppe eine rechteckige Form aufweist, kann ein Luftspalt erreicht werden zwischen dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, dem Magnet und den Polschuhelementen. Mit anderen Worten ist in diesem Fall die Magnetbaugruppe mit Abstand von dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator angeordnet. Dies kann die Flussverteilung verbessern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine nichtferromagnetische Abdeckung an der Magnetbaugruppe befestigt.
Eine Abdeckung kann Schutz für die Magnete liefern und kann ferner eine Befestigung der Magnete liefern. Ferner kann die Abdeckung eine Befestigung zum Eliminieren der Vibration in der radialen Richtung aufgrund von Magnetteiltoleranzen liefern. Die Abdeckung kann ein nichtferromagnetischer Stahl oder Aluminium sein, platziert an dem äußeren Umfang der Magnetbaugruppe. Die Abdeckung kann eine Schicht von weichem oder dämpfendem Material (wie Schaum oder Gummi) aufweisen, die zwischen der Abdeckung und der Magnetbaugruppe platziert ist. Durch Schieben der Abdeckung von dem äußeren Umfang in die radiale Richtung kann das flexible oder weiche Material es der Abdeckung erlauben, sich soweit nach unten zu bewegen, wie benötigt wird aufgrund der Toleranzen der Magnete oder der Magnetbaugruppen.
Die Abdeckung kann an die Polschuhelemente geschraubt sein. Dies kann ebenfalls helfen, die Magnetbaugruppen an Ort und Stelle zu halten.
Ferner kann das Dämpfungsmaterial zusätzlich zu der mechanischen Dämpfung als eine Dichtung dienen, um auszuschließen, dass Partikel, Feuchtigkeit oder salzige Luft, Wasser oder jede andere Art von Flüssigkeiten oder Schmutz in die elektrische Maschine eindringt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Endplatten an den axialen Enden des Maschinenelements (z. B. des Rotors) angeordnet.
Die Polschuhelemente können unter einem Winkel zwischen den Endplatten angeordnet sein, um einen Versatz zu erlauben. Die Endplatten können aus nichtmagnetischem Material gefertigt sein zum Vermeiden eines Kurzschlusses der Magnete. Die Endplatten können verwendet werden zum Befestigen der Polschuhelemente an dem Maschinenelement (z.B. an dem Rotor).
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, umfassend einen Stator und einen Rotor wie oben beschrieben, wobei der Rotor bezüglich des Stators rotierbar ist und einer von dem Rotor und dem Stator durch ein Maschinenelement gemäß einer oder mehrerer der hierin offenbarten Ausführungsformen gebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist das Maschinenelement außenliegend angeordnet, d.h. das Maschinenelement bildet einen außenliegenden Rotor oder einen außenliegenden Stator. Wie allgemein üblich bedeutet „außenliegend“ in diesem Zusammenhang, dass das Maschinenelement radial außerhalb des weiteren Maschinenelements angeordnet ist.
Die bereitgestellte elektische Maschine basiert auf der Idee, dass in das Maschinenelement Magnete eingefügt werden können, nachdem der Rotor und der Stator zusammengefügt worden sind. Dies kann erreicht werden durch die außenliegende Anordnung der Polschuhelemente, welche eine Öffnung zu der Außenseite des Maschinenelements hin liefern zum Einfügen der Magnetbaugruppen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierein offenbarten Gegenstände wird eine Windturbine zum Erzeugen von elektrischer Leistung bereitgestellt. Die bereitgestellte Windturbine umfasst einen Turm, einen Windturbinenrotor, welcher an einen oberen Teil des Turms angeordnet ist und welcher mindestens ein Blatt aufweist, und eine elektrische Maschine in Form eines Generators wie hierein beschrieben, wobei der Generator mechanisch mit dem Windturbinenrotor gekoppelt ist, beispielsweise ohne Zwischenschaltung eines Getriebes (Direktantriebsgenerator).
Beim Entwurf einer Windturbine ist es vorteilhaft, die Masse in einem oberen Bereich des Turms, d.h. insbesondere die Masse der Gondel und des Generators, klein zu halten. Auf diese Weise können die Kosten für den Transport sowie für Fundamente und den Turm relativ niedrig sein. Ein niedriges Gewicht des Generators kann bei einer vorgesehen Nennleistung des Generators beispielsweise durch Permanentmagnete erreicht werden, die seltene Erden enthalten (Seltene-Erd-Magneten). Jedoch sind Seltene-Erd-Magneten teuer und üben sehr hohe Magnetkräfte aus. Ein Austausch der Seltene-Erd-Magneten ist bei einem konventionellen Generator nach einer Installation des Generators in einer Windturbine kaum möglich.
Ein Generator gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände löst oder mindert einige der Probleme von konventionellen Generatoren für Windturbinen. Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände ist der mindestens eine Permanentmagnet ein Ferritmagnet. Obwohl dadurch bei gleicher Nennleistung die Masse des Generators höher als bei konventionellen Generatoren mit Seltene-Erd-Magneten sein kann, ist der Generator preiswerter in der Herstellung und das Preisniveau der Ferrit-Magnete ist konstanter als das der Seltene-Erd-Magneten. Ferner können die Magnete leicht ausgetauscht werden, selbst wenn der Generator bereits in der Windturbine installiert ist. Insbesondere für den Außenläufer (d.h. einen Generator mit außenliegenden Rotor) kann ein Austausch auf einfache Weise erfolgen, beispielsweise mit einem kleinen Kran in der Gondel. Somit kann ein Einbau oder ein Austausch defekter Magnete selbst dann erfolgen, wenn der Generator bereits in der Windturbine installiert ist. Ein weiterer Vorteil der Ferritmagnete ist, dass die Magnettemperatur unproblematischer als bei Seltenen-Erd-Magneten ist und damit die Kühlung des Generators erleichtert wird.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Ferritmagnete in Form einer Magnetbaugruppe in dem Generator montiert. Generell ist es kostengünstig und effizient, die Permanentmagnete in einer Standardgröße herzustellen und in einer Baugruppe anzuordnen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine ein direkt angetriebener Generator einer Windturbine mit außenliegendem Rotor.
Es muss angemerkt werden, dass Ausführungsformen mit Bezug auf verschiedene Gegenstände beschrieben wurden. Insbesondere wurden einige Ausführungsformen beschrieben mit Bezug auf Ansprüche vom Vorrichtungstyp, während andere Ausführungsformen beschrieben wurden mit Bezugnahme auf Ansprüche vom Verfahrenstyp. Jedoch wird ein Fachmann von der vorstehenden und der nachstehenden Beschreibung entnehmen, dass solange nicht anders angegeben zusätzlich zu jeder Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Gegenständen gehört, auch jede Kombination zwischen Merkmalen, welche sich auf verschiedene Gegenstände beziehen, insbesondere zwischen Merkmalen der Ansprüche vom Vorrichtungstyp und Merkmale der Ansprüche vom Verfahrenstyp als mit diesem Dokument offenbart angesehen werden.
Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden offenkundig von den Beispielen der Ausführungsformen, die hier nachfolgend beschrieben werden sollen und welche erläutert sind mit Bezugnahme auf die Beispielausführungsformen. Die Erfindung wird hierin nachfolgend detaillierter beschrieben werden mit Bezugnahme auf Beispielausführungsformen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
2 zeigt eine weitere Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
3 zeigt eine weitere Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
4 zeigt eine weitere Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Polschuhelementes der Polschuhanordnung aus 4.
6 zeigt ein Polschuhelement gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
7 zeigt eine Polschuhanordnung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
8 zeigt einen Rotor gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
9 zeigt einen weiteren Rotor gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
10 zeigt eine Magnetbaugruppe gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
11 zeigt einen eine elektrische Maschine gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch. Es wird angemerkt, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit denselben Bezugszahlen versehen sind.
1 zeigt eine Polschuhanordnung 100. Die Polschuhanordnung kann beispielsweise verwendet werden für einen Rotor einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator aufweist und den Rotor, welcher um den Stator rotierbar ist. Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Rotor innerhalb des Stators rotierbar angeordnet sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der außen liegende Stator die Polschuhanordnung 100 aufweisen kann. Alternativ kann auch der innenliegende Rotor oder ein innenliegender Stator die Polschuhanordnung 100 aufweisen. Die Polschuhanordnung umfasst ein erstes Polschuhelement 101 und ein zweites Polschuhelement 102. Beide Polschuhelemente können aus ferromagnetischem Material, wie ferromagnetischem Stahl hergestellt sein. Die Polschuhelemente können den Fluss der Magnetbaugruppe aufnehmen. Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine, wie sie mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben ist, ein Generator. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Maschinenelement, wie es mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben ist, ein Rotor. Es versteht sich jedoch, dass dies lediglich exemplarisch ist und dass gemäß anderer Ausführungsformen beispielsweise die elektrische Maschine ein Motor und/oder das Maschinenelement ein Stator sein kann.
Die Polschuhelemente 101, 102 sind an dem Rotor befestigt zum Beispiel an einer Rotorträgerstruktur (nicht dargestellt). Die Polschuhelemente erstrecken sich in einer Längsrichtung 151, beispielsweise in axialer Richtung, wie in 3 gesehen werden kann, wo das Polschuhelement 101 einer Polschuhanordnung 300 in einer axialen Ansicht dargestellt ist. Die Polschuhelemente 101, 102 sind bezüglich einander in einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet in einer Weise, so dass eine Vertiefung gebildet ist zum Aufnehmen einer Magnetbaugruppe 103. Die Form der Vertiefung kann der Form der Magnetbaugruppe entsprechen. Beispielsweise kann die Kontur der Magnetbaugruppe komplementär zu der Kontur der Vertiefung sein. Jedes Polschuhelement hat eine erste Breite in der Umfangsrichtung bei einer ersten radial inneren Position und hat eine zweite Breite in der Umfangsrichtung bei einer zweiten radial äußeren Position. In anderen Worten werden die Polschuhelemente dünner zu dem radial äußeren Ende des Rotors hin. Jedoch sind in jedem Fall die inneren Breiten größer als die äußeren Breiten. Die Übergänge zwischen den Breiten sind gemäß einer Ausführungsform in Stufen gebildet. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Übergang zwischen der ersten Breite und der zweiten Breite kontinuierlich erfolgen. Beispielsweise kann das Polschuhelement gemäß einer Ausführungsform einen konischen Querschnitt aufweisen.
Die größte Breite ist bei einer Position nahe dem Luftspalt 104 zwischen dem Rotor und dem Stator 106 (oder dem magnetischen Luftspalt der elektrischen Maschine). Die kleinste Breite ist bei einer Position nahe dem Äußeren 105 (Luft) des Rotors. Beispielsweise kann das Polschuhelement 101, 102 die größte Breite an seinem inneren, dem Luftspalt 104 zugewandten Ende und die kleinste Breite an seinem äußeren, dem inneren Ende entgegengesetzten Ende aufweisen.
2 zeigt eine Polschuhanordnung 200 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform kann der in Umfangsrichtung breiteste Teil der Polschuhelemente 101, d.h. der Teil 201, welcher auch dem magnetischen Luftspalt der elektrischen Maschine am nächsten ist, quer zu der Längsrichtung (beispielsweise senkrecht zu der Längsrichtung) einen Querschnitt in der Form eines Trapezes aufweisen, welches sich in Richtung von dem Luftspalt weg in seiner Breite verjüngt, wie in 2 dargestellt. Dieser Teil 201 des Polschuhelements 101 kann aus einer Laminierungsstruktur hergestellt sein. Dies kann den Vorteil des Reduzierens von Wirbelstromverlusten liefern. Wie in 2 dargestellt, können die Laminierungen umfänglich angeordnet sein, d.h. die Abfolge der verschiedenen Schichten der Laminierung findet in einer Umfangsrichtung 149 statt.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform ist in 3 eine axiale Anordnung der Laminierungen dargestellt, d.h. die Abfolge der Schichten in dem Teil 301 des Polschuhelements 101, welches dem Luftspalt gegenüberliegt, findet in der Längsrichtung 151 statt. Gemäß einer Ausführungsform sollte die Anordnung der Laminierungen der Anordnung des Stators entsprechen.
4 zeigt eine Polschuhanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Die Polschuhanordnung 100 in 4 zeigt ein Polschuhelement 101, welches ein inneres Ende 120 aufweist, welches dem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüber liegt, d.h. diesem zugewandt ist, wenn das Polschuhelement 101 an seiner vorgesehenen Stelle in der elektrischen Maschine montiert ist, d.h. sich in einem montierten Zustand befindet. Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement ein dem inneren Ende 120 entgegengesetztes äußeres Ende 122 auf, wobei das Polschuhelement 101 zwischen dem inneren Ende 120 und dem äußeren Ende 122 eine Aufnahmefläche 124 hat, die zum Aufnehmen eines oder mehrerer Permanentmagneten vorgesehen ist. Gemäß einer Ausführungsform werden an den Aufnahmeflächen 124 des Polschuhelementes 101 ein oder mehrere Permanentmagnete angeordnet (in 4 nicht dargestellt). Gemäß einer Ausführungsform können in einer radialen Richtung 125 mehrere Aufnahmeflächen 124 vorgesehen sein, bspw. drei Aufnahmeflächen 124, wie in 4 dargestellt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Polschuhelement 101 eine Führungseinrichtung 126 auf, wobei die Führungseinrichtung ausgebildet ist, um den Permanentmagnet, welcher an der Aufnahmefläche 124 angeordnet wird, in der radialen Richtung 125 von dem äußeren Ende 122 zu dem inneren Ende 120 hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten quer zu der radialen Richtung 125 zu limitieren. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich bereits an der Aufnahmefläche angeordnete Magnete seitlich, d.h. quer zu der radialen Richtung bewegen, wenn ein weiterer Permanentmagnet in der Nähe des bereits vorhandenen Permanentmagnetes angeordnet wird. Auf diese Weise wird die Montage bzw. der Zusammenbau der elektrischen Maschine erheblich vereinfacht.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Polschuhelement bei einer ersten radial inneren Position 132 in Umfangsrichtung 149 eine erste Breite 134 auf und weist bei einer zweiten radial äußeren Position 136 in Umfangsrichtung 149 eine zweite Breite 138 auf. Gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände geht in der radialen Richtung 125 die erste Breite zu der zweiten Breite stufenförmig über, um so eine Stufe 140 zu bilden. Gemäß einer Ausführungsform sind die Aufnahmeflächen 124 des Polschuhelements 101 durch die Stufen 140 voneinander getrennt, wie in 4 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform kann das Polschuhelement 101 eine einzige Stufe aufweisen, entsprechend zwei Aufnahmeflächen 124 in der radialen Richtung 125. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zwei oder mehr Stufen 140 vorgesehen sein, beispielsweise zwei Stufen 140, wie in 4 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist das Polschuhelement in seiner Funktion symmetrisch ausgebildet, d.h. zwei voneinander abgewandte Seiten 142 und 144 des Polschuhelements 101 sind auf eine Weise ausgebildet, dass beide Seiten 142, 144 Aufnahmeflächen 124 und Führungseinrichtungen 126 aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass ein einziges Polschuhelement 101 auf beiden Seiten mit Permanentmagneten bestückt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Führungseinrichtung 128, die einer Stirnfläche 145 des Polschuhelements benachbart ist, mit einem Abstand 147 von der Stirnfläche 145 angeordnet. Mit anderen Worten ist gemäß einer Ausführungsform ein in der Längsrichtung äußerster Permanentmagnet (in 4 nicht dargestellt) mit axialem Abstand von der Stirnfläche 145 angeordnet. Auf dieses Weise ist der stirnseitige Permanentmagnet mit Abstand von einer Endplatte angeordnet, welche an der Stirnfläche 145 des Polschuhelements angeordnet ist. Dies kann eine Leckage von magnetischem Fluss reduzieren. Die Endplatte ist in 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, ist jedoch mit Bezug auf 8 und 9 beschrieben und dargestellt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung 126 mindestens einen Vorsprung 128, welcher über die Aufnahmefläche 124 vorsteht.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des Polschuhelementes 101 aus 4.
Wie in 5 dargestellt, steht der Vorsprung 128 der Führungseinrichtung 126 um einen Abstand 130 über die Aufnahmefläche 124 vor. Ferner weist der Vorsprung 128 eine Vorsprungsbreite 131 auf. Der Abstand 130 und die Vorsprungsbreite 131 sind gemäß einer Ausführungsform im Bereich einiger Millimeter, beispielsweise zwischen 2 Millimeter und 3 Millimeter. Gemäß einer Ausführungsform, ist der Vorsprung monolithisch mit dem Polschuhelement 101 ausgebildet. Beispielsweise kann der Vorsprung durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise spanabhebende Bearbeitung, in dem Polschuhelement gebildet sein.
6 zeigt ein weiteres Polschuhelement 101 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Bis auf die anders ausgebildete Führungseinrichtung 126 ist das Polschuhelement 101, welches in 6 dargestellt ist, identisch mit dem Polschuhelement 101, welches in 4 dargestellt ist, weshalb die detaillierte Beschreibung hiervon nicht wiederholt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Führungseinrichtung 126 zwischen zwei Aufnahmeflächen 124 eine Nut 146 in dem Polschuhelement 101 auf, in welche ein Führungselement einsetzbar ist.
7 zeigt eine Polschuhanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Die Polschuhanordnung 100 in 7 weist eine Mehrzahl von Polschuhelementen auf, von denen ein erstes Polschuhelement 101 und ein zweites Polschuhelement 102 in 7 dargestellt sind. Das erste Polschuhelement 101 und das zweite Polschuhelement 102 sind einander gegenüberliegend und mit Abstand voneinander angeordnet, so dass eine Vertiefung 148 zwischen dem ersten Polschuhelement 101 und dem zweiten Polschuhelement 102 gebildet ist. Die Vertiefung 148 ist in einer Umfangsrichtung 149 durch die Aufnahmeflächen 124 der Polschuhelemente 101, 102 begrenzt, wie in 7 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vertiefung 148 zum Empfangen von Permanentmagneten ausgebildet.
Jedes Polschuhelement 101, 102 umfasst eine Nut 146. Gemäß einer Ausführungsform ist jedes Polschuhelement 101, 102 wie das Polschuhelement 101 in 6 ausgebildet. Der Übersichtlichkeit halber sind in 7 jedoch nur zwei gegenüberliegende Nuten 146 der Polschuhelemente 101, 102 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Polschuhanordnung 100 ein Führungselement 150, welches nicht ferromagnetisch ist und welches in die Nut 146 der Polschuhelemente 101, 102 eingesetzt ist. Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich das Führungselement 150 zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Polschuhelementen 101, 102. Gemäß einer Ausführungsform weist das Führungselement 150 an seiner der Nut 146 zugewandten Fläche eine Kontur auf, die der Kontur des Polschuhelementes in der Nut 146 und an den Stufen 140 entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform hat die Nut 146 eine Nuttiefe 152 und eine Nutbreite 154 auf, die jeweils im Bereich einiger weniger Millimeter liegen, z.B. bei 2 Millimeter bis 3 Millimeter.
Gemäß einer weiteren, in 7 nicht dargestellten Ausführungsform erstreckt sich das Führungselement 150 nur über einen bestimmten Abstand über die Aufnahmefläche 124, wobei das Führungselement mit Abstand von dem gegenüberliegenden Polschuhelement und mit Abstand von dem gegenüberliegenden Führungselement in dem gegenüberliegenden Polschuhelement angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Führungselement 150 ausgebildet sein, um lediglich einen Vorsprung zu bilden, der über die Aufnahmefläche 124 vorsteht, ähnlich dem Vorsprung 128 in 4. In diesem Fall ist nicht ein einziges Führungselement 150 den gegenüberliegenden Nuten von zwei einander gegenüberliegenden Polschuhelementen zugeordnet, sondern in jeder der gegenüberliegenden Nuten 146 ist ein separates Führungselement 150 angeordnet. Sofern die gegenüberliegenden Führungselemente 150 von zwei benachbarten Polschuhelementen 101, 102 mit Abstand voneinander angeordnet sind, kann das Führungselement 150 ferromagnetisch sein.
Gemäß einer Ausführungsform dient oder unterstützt die Nut 146 der Befestigung des Führungselements 150 an dem Polschuhelement 101, 102. Gemäß anderer Ausführungsform ist keine Nut 146 vorgesehen. Allgemein kann die Nut 146 und/oder ein anderes Befestigungsmittel zum Befestigen des Führungselements 150 an dem Polschuhelement 101, 102 vorgesehen sein. Ein solches anderes Befestigungsmittel kann beispielsweise eine Schweißung, eine Klebung, eine Verschraubung, eine Nietung, etc. umfassen. Beispielsweise kann das Führungselement 150 an dem Polschuhelement 101, 102 angeschweißt oder angeklebt sein.
Wie in 8 dargestellt, können an den axialen Enden des Rotors 400 (beispielsweise an den Stirnflächen der Polschuhelemente 101) Endplatten 401, 402 angeordnet sein, z.B. in der Form einer Frontplatte und einer Rückplatte. Die Polschuhelemente 101 können an dem Rotor befestigt sein durch angeschweißt sein oder angeschraubt sein an die Endplatten. Eine Mehrzahl von Polschuhelementen 101 kann auf der Rotorstruktur angeordnet sein, wobei sich jedes zwischen den Endplatten erstreckt und zu dem nächsten Polschuhelement beabstandet ist zum Bilden einer Vertiefung für die Magnetbaugruppen.
Wie in 9 dargestellt, können die Magnetbaugruppen 103 in die Vertiefungen, die von den Polschuhelementen bereitgestellt sind, eingefügt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die radial äußere Oberfläche des Rotors 500 folglich mit Magnetbaugruppen bedeckt. Die Magnetbaugruppen können mit einem nichtmagnetischen Material, welches einen Schutz liefert, abgedeckt sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetbaugruppe, wie sie beispielhaft in 10 durch die Magnetbaugruppe 600 dargestellt ist, aus einer Mehrzahl von einzelnen Permanentmagneten 601 bis 604 konstruiert, welche die Kontur der Vertiefung bilden. Vorzugsweise sind die Einzelmagnetstücke (Permanentmagnete) nicht größer als 25 cm in der Kantenlänge.
In dem in 10 dargestellten Beispiel besteht die Magnetbaugruppe aus 15 Teilen. Die Magnetstücke (Permanentmagnete) haben exakt dieselben Abmessungen. Dies kann den Vorteil liefern, dass das Design modular ist und die verschiedenen Magnetstücke einfach gehandhabt werden können. Die Magnetstücke können verschiedene Materialien aufweisen. Zum Beispiel können die Magnetstücke 601, die näher an dem Luftspalt sind, eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweisen, um besser einem Endmagnetisierungsfeld zu widerstehen, welches den Magneten im Fall eines Kurzschlusses gegenübersteht. Die anderen Magnetstücke 602, 603 und 604 können eine geringere Koerzitivfeldstärke aufweisen.
11 zeigt einen Teil einer vollständigen elektrischen Maschine 700 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände in Form eines Generators, insbesondere in Form eines Windturbinengenerators. Der Rotor 710 ist um den Stator 720 rotierbar angeordnet. Der Stator ist mit einer Welle 706 verbunden und weist eine Spulenanordnung 705 auf, wobei Luftspalte 704 zwischen den Spulen gebildet sind.
Ein Luftspalt 104 ist zwischen dem Rotor 710 und dem Stator 720 gebildet. Ferner ist ein Luftspalt 702 durch die Polschuhelemente 101, 102 und die Magnetbaugruppe 103 gebildet. Auf den Seiten der Polschuhelemente, welche entgegengesetzt zu der Magnetbaugruppe 103 liegen, kann jeweils eine weitere Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Luftspalte 702 und 704 nicht mit dem Luftspalt 104 zwischen dem Rotor 710 und dem Stator 720 verwechselt werden dürfen. Sofern hierin an anderer Stelle auf einen „Luftspalt“ Bezug genommen wird, ist stets der Luftspalt zwischen Rotor und Generator gemeint, sofern nicht wie im Fall der Luftspalte 702 und 704 etwas anderes gesagt ist. Wie hierin beschrieben, können die Magnetbaugruppen gemäß einer Ausführungsform eine Mehrzahl von aneinander befestigten Ferritmagneten aufweisen.
Zu dem Rotoräußeren 105 hin, welches Luft sein kann, kann eine Abdeckung 701 oben auf der Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein. Dies kann einen Schutz gegen Kontamination liefern. Wenn die Abdeckung 701 aus einem nichtmagnetischen Material gebildet ist, kann dies auch einen Schutz gegen Kurzschlüsse liefern und eine Leckage von magnetischem Fluss reduzieren. Um Vibrationen zu reduzieren, kann ein Dämpfungsmaterial 703 zwischen der Abdeckung 701 und der Magnetbaugruppe 103 angeordnet sein.
Die hierin beschriebenen Polschuhanordnungen und Magnetbaugruppen können die folgenden Vorteile liefern: Es ist kein Rückeisenpfad benötigt; stattdessen kann eine nichtmagnetische Abdeckung mit einem Dämpfungseffekt verwendet werden. Kein Fronteisenpfad wird benötigt, was in einem Luftspalt zwischen den Polschuhen in einer Umfangsrichtung resultiert. Ein modulares Magnetmoduldesign kann erreicht werden unter Verwendung derselben geometrischen Abmessungen der Magnetstücke. Dies kann auch zu einer einfachen Montage führen aufgrund des puzzleähnlichen Designs, wo alle Magnetmodule zwischen zwei Rotorpolschuhelementen eingefügt sind. Die Modularität des Designs kann ferner eine Montage von der Seite (Luft) erlauben, was die Transportkosten reduzieren kann. Ferner sind der Service und die Wartung des Rotors leichter, aufgrund des leichteren Zugangs zu den Magnetmodulen und den Polelementen. Das modulare Design erlaubt auch eine Zwischenaustauschbarkeit im Fall eines fehlerhaften Magnetmoduls oder Polschuhelements. Da mechanische und elektromagnetische Strukturfunktionalität kombiniert sind, kann eine optimierte Verwendung von Material und eine kompakte elektrische Maschine erzielt werden.
Die hierin gegebenen Abmessungen sollen lediglich exemplarisch mögliche Abmessungen für die betreffenden Elemente angeben. Es versteht sich, dass diese beispielhaften Abmessungen stets den Anforderungen und der Größe der elektrischen Maschine angepasst werden sollten und somit die beispielhaften Abmessungen erheblich überschritten oder unterschritten werden können.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass die Begriffe „aufweisend“ und „umfassend“ nicht andere Elemente oder Schritte ausschließen und das „ein“ oder „eines“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche limitierend ausgelegt werden sollen.
Zusammenfassend wird eine Polschuhanordnung 100 für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine offenbart, wobei die elektrische Maschine den Stator, den Rotor und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor aufweist. Die Polschuhanordnung 100 enthält ein Polschuhelement 101, welches ein inneres Ende 120 aufweist, das ausgebildet ist um in einem montierten Zustand des Polschuhelements 101 dem Luftspalt der elektrischen Maschine gegenüber zu liegen. Ferner weist das Polschuhelement 101 ein dem inneren Ende 120 entgegengesetztes äußeres Ende 122 auf. Zwischen dem inneren Ende 120 und dem äußeren Ende 122 weist das Polschuhelement 101 eine Aufnahmefläche 124 zum Aufnehmen eines Permanentmagneten auf. Ferner weist die Polschuhanordnung 101 eine Führungseinrichtung 126 für den Permanentmagnet auf, wobei die Führungseinrichtung 126 ausgebildet ist, um den Permanentmagnet in einer radialen Richtung 125 von dem äußeren Ende 122 zu dem inneren Ende 120 hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten quer zu der radialen Richtung 125 zu limitieren.

Claims

Polschuhanordnung (100, 200, 300) für eine elektrische Maschine (700), wobei die elektrische Maschine einen Stator (720), einen Rotor (400, 500, 710) und einen Luftspalt (104) zwischen dem Stator (720) und dem Rotor (400, 500, 710) aufweist, die Polschuhanordnung (100, 200, 300) enthaltend: ein Polschuhelement (101, 102); wobei das Polschuhelement (101, 102) ein inneres Ende (120) aufweist, welches ausgebildet ist um in einem montierten Zustand des Polschuhelements (101, 102) dem Luftspalt (104) der elektrischen Maschine gegenüber zu liegen; wobei das Polschuhelement (101, 102) ein dem inneren Ende (120) entgegengesetztes äußeres Ende (122) aufweist; wobei das Polschuhelement (101, 102) zwischen dem inneren Ende (120) und dem äußeren Ende (122) eine Aufnahmefläche (124) zum Aufnehmen eines Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) aufweist; wobei die Polschuhanordnung (100, 200, 300) eine Führungseinrichtung (126) für den Permanentmagnet aufweist, wobei die Führungseinrichtung (126) ausgebildet ist, um den Permanentmagnet in einer radialen Richtung (125) von dem äußeren Ende (122) zu dem inneren Ende (120) hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) quer zu der radialen Richtung (125) zu limitieren.
Polschuhanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei die Führungseinrichtung (126) mindestens einen Vorsprung (128) umfasst, welcher über die Aufnahmefläche (124) vorsteht; wobei optional der mindestens eine Vorsprung (128) monolitisch mit dem Polschuhelement (101, 102) ausgebildet ist.
Polschuhanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Polschuhelement (101, 102) eine Nut aufweist und die Führungseinrichtung (126) ein Führungselement (150) umfasst, welches nicht ferromagnetisch ist und welches in die Nut eingesetzt ist.
Polschuhanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 3, wobei das Polschuhelement ein erstes Polschuhelement (101) ist und die Polschuhanordnung (100, 200, 300) ein zweites Polschuhelement (102) aufweist, wobei das erste Polschuhelement (101) und das zweite Polschuhelement (102) mit Abstand voneinander angeordnet sind, in einer solchen Weise, dass eine Vertiefung (148) zum Empfangen des Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) gebildet ist.
Polschuhanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 4, welche ferner die Merkmale von Anspruch 4 aufweist, wobei das zweite Polschuhelement (102) eine Nut (146) aufweist; und wobei das Führungselement (150) in die Nut (146) des zweiten Polschuhelements (102) eingesetzt ist und sich zwischen dem ersten Polschuhelement (101) und dem zweiten Polschuhelement (102) erstreckt.
Maschinenelement (400, 500, 710) einer elektrischen Maschine, wobei das Maschinenelement entweder einen Rotor oder einen Stator der elektrischen Maschine bildet, das Maschinenelement enthaltend: eine Polschuhanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche; und den Permanentmagneten (601, 602, 603, 604), wobei der Permanentmagnet (601, 602, 603, 604) an der Aufnahmefläche (124) angeordnet ist und durch die Führungseinrichtung (126) an einer Bewegung quer zu der radialen Richtung (125) limitiert ist.
Maschinenelement (400, 500, 710) nach Anspruch 6, ferner enthaltend mindestens eines der folgenden Merkmale: der Permanentmagnet ist einer von einer Mehrzahl von Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) ist, die eine Magnetbaugruppe (103, 600) bilden; der Permanentmagnet ist ein Ferritmagnet.
Elektrische Maschine (700) enthaltend einen Stator (720), und einen Rotor (400, 500, 710), wobei der Rotor (400, 500, 710) bezüglich des Stators (720) rotierbar ist und wobei entweder der Rotor oder der Stator durch ein Maschinenelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7 gebildet ist; wobei die elektrische Maschine optional ein Generator einer Windturbine ist.
Windturbine enthaltend eine elektrische Maschine nach Anspruch 10.
Verfahren zum Montieren eines Rotors (400, 500, 710) einer elektrischen Maschine (700), das Verfahren enthaltend: Bereitstellen einer Polschuhanordnung (100, 200, 300), welche zwei Polschuhelemente (101, 102) aufweist, die eine Vertiefung zwischen sich bilden, wobei jedes Polschuhelement (101, 102) ein inneres Ende und ein dem inneren Ende (120) entgegengesetztes äußeres Ende (122) aufweist und wobei das innere Ende (120) ausgebildet ist, um in einem montierten Zustand des Polschuhelements (101, 102) einem Luftspalt (104) der elektrischen Maschine (700) gegenüber zu liegen; Bereitstellen einer Führungseinrichtung (126), welche ausgebildet ist, um einen Permanentmagnet in einer radialen Richtung (125) von dem äußeren Ende (122) zu dem inneren Ende (120) hin zu führen und eine Bewegung des Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) quer zu der radialen Richtung (125) zu limitieren; radiales Einführen des Permanentmagneten (601, 602, 603, 604) in die Vertiefung, wobei die Führungseinrichtung (126) den Permanentmagnet während des radialen Einführens in einer Bewegung quer zu der radialen Richtung (125) limitiert.