DE102013012341A1 - Rotor for an electric machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor (1) für eine elektrische Maschine, umfassend – ein Laufrad (2) aus Bronze, insbesondere Aluminiumbronze, und – mindestens eine zumindest teilweise hohlzylindrisch ausgebildete äußere Schicht (6) aus eisenhaltigem Metall, wobei die äußere Schicht (6) mit dem Laufrad (2) formschlüssig verbunden ist.The present invention relates to a rotor (1) for an electric machine, comprising - an impeller (2) of bronze, in particular aluminum bronze, and - at least one at least partially hollow cylindrical outer layer (6) made of iron-containing metal, wherein the outer layer (6) is positively connected to the impeller (2).
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine.The invention relates to a rotor for an electric machine.
Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl von Rotoren. Die meisten dieser Vorrichtungen sind meist nicht korrosionsbeständig und weisen keinen optimalen Wirkungsgrad auf. Die eisenhaltigen Rotorteile müssen daher immer aufwändig gegen Korrosion geschützt werden.There are many rotors in the prior art. Most of these devices are usually not resistant to corrosion and have no optimal efficiency. The iron-containing rotor parts must therefore always be laboriously protected against corrosion.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Mit der vorliegenden Erfindung soll die Korrosionsbeständigkeit verbessert und ein höherer Wirkungsgrad gewährleistbar sein. Ferner sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsschritte beim Herstellen des Rotors reduziert werden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art. With the present invention, the corrosion resistance should be improved and a higher efficiency should be ensured. Furthermore, the known from the prior art manufacturing steps in the manufacture of the rotor are to be reduced.
Die Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:
Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend
- – ein Laufrad aus Bronze, insbesondere aus Aluminiumbronze, und
- – mindestens eine zumindest teilweise hohlzylindrisch ausgebildete äußere Schicht aus eisenhaltigem Metall, wobei die äußere Schicht mit dem Laufrad formschlüssig verbunden ist.
Rotor for an electric machine, comprising
- - An impeller made of bronze, in particular aluminum bronze, and
- - At least one at least partially hollow cylindrical outer layer formed of iron-containing metal, wherein the outer layer is positively connected to the impeller.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.Advantageous developments are defined in the subclaims.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer Maschine oder eines Aggregats. Das Gegenstück zum Rotor bei elektrischen Maschinen ist der Stator, der als feststehender und unbeweglicher Teil verstanden wird.A rotor is the rotating (rotating) part of a machine or aggregate. The counterpart to the rotor in electric machines is the stator, which is understood as a fixed and immovable part.
Ein Laufrad ist ein bewegtes (rotierendes) Teil eines Rotors. Das Laufrad ist bevorzugt mittels einer Welle, die sich axial in Längsrichtung erstreckt derart lagerbar, um strömenden Fluiden oder Liquiden Arbeit zu entziehen oder zuzuführen.An impeller is a moving (rotating) part of a rotor. The impeller is preferably storable by means of a shaft which extends axially in the longitudinal direction, in order to extract or supply work to flowing fluids or liquids.
Besonders bevorzugt ist das Laufrad ohne Welle ausgeführt. Die Lagerungsfunktion des Rotors ist dann über Gleitlager am Außendurchmesser des Rotors und im Statorgehäuse gewährleistbar.Particularly preferably, the impeller is designed without a shaft. The bearing function of the rotor can then be ensured by sliding bearings on the outer diameter of the rotor and in the stator housing.
Ein Laufradblatt (Laufradschaufelblatt oder Rotorschaufel) ist ein Teil des Laufrades. Bevorzugt ist das Laufrad einschauflig ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das Laufrad mindestens zwei Laufradblätter auf. Besonders bevorzugt sind die Laufradblätter annähernd symmetrisch verteilt im Laufrad angeordnet, um einen gleichmäßigen Lauf des Rotors zu gewährleisten.An impeller blade (impeller blade or rotor blade) is part of the impeller. Preferably, the impeller is formed einschauflig. Particularly preferably, the impeller has at least two impeller blades. Particularly preferably, the impeller blades are arranged approximately symmetrically distributed in the impeller to ensure a smooth running of the rotor.
Die vorgesehene zumindest teilweise hohlzylindrisch ausgebildete äußere Schicht, die mit dem Laufrad formschlüssig verbunden ist, verhilft dem Rotor zur Steigerung des Rotationsvermögens und zur Erhöhung des Wirkungsgrads.The envisaged at least partially hollow cylindrical outer layer, which is positively connected to the impeller, helps the rotor to increase the rotational capacity and increase the efficiency.
Die äußere Schicht (eisenhaltiger Rücken) ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet. Durch diese Ausbildung ist eine durchgehende Ummantelung des Laufrades gewährleistet. Besonders bevorzugt weist die äußere Schicht eine Dicke von etwa 10% bis 20%, bevorzugt ca. 15% des Rotordurchmessers auf.The outer layer (iron-containing back) is preferably formed as a hollow cylinder. This design ensures a continuous sheathing of the impeller. Particularly preferably, the outer layer has a thickness of about 10% to 20%, preferably about 15% of the rotor diameter.
Vorzugsweise weist die äußeren Schicht Verlängerungen (auskragende Teilbereiche) in Längsrichtung auf, die zu einem verbesserten Formschluss mit der Bronze beitragen. Dabei sind die Verlängerungen bevorzugt stufenartig ausgebildet und symmetrisch entlang der Hohlzylinderkante angeordnet.Preferably, the outer layer has extensions (projecting portions) in the longitudinal direction, which contribute to an improved positive connection with the bronze. The extensions are preferably formed step-like and arranged symmetrically along the hollow cylinder edge.
Besonders bevorzugt weist die äußere Schicht mindestens zwei ringförmige Teilbereiche auf. Dabei werden mindestens zwei ringförmige, hohlzylindrische äußere Schichten um das Laufrad herum gebildet, die beabstandet von einander entfernt liegen. Durch diese Ausbildung ist eine teilweise Ummantelung des Laufrades gewährleistet. Dabei entsteht ein verbesserter Formschluss, weil Bronze auch zwischen den ringförmigen Teilbereichen einbringbar ist.Particularly preferably, the outer layer has at least two annular portions. In this case, at least two annular, hollow-cylindrical outer layers are formed around the impeller, which are at a distance from each other. This design ensures a partial sheathing of the impeller. This results in an improved positive connection, because bronze can also be introduced between the annular portions.
In einer weiteren besonders bevorzugt Ausgestaltung ist die äußere Schicht segmentartig ausgebildet. D. h., dass die äußere Schicht aus eisenhaltigem Metall teilweise hohlzylindrisch ausgebildet ist. Dabei wird die äußere Schicht durch in axialer Längsrichtung angeordnete und zylindrisch geformte Teilstücke definiert wird. Dabei entsteht ein verbesserter Formschluss, weil Bronze zwischen den zylindrisch geformten Teilstücken einbringbar ist.In a further particularly preferred embodiment, the outer layer is formed like a segment. That is, that the outer layer of ferrous metal is partially formed as a hollow cylinder. In this case, the outer layer is defined by arranged in the axial longitudinal direction and cylindrically shaped sections. This results in an improved positive connection, because bronze between the cylindrically shaped sections can be introduced.
Durch den Einsatz von Bronze, insbesondere von Aluminiumbronze, lässt sich ein korrosionsbeständiges Laufrad herstellen.By using bronze, especially aluminum bronze, a corrosion-resistant impeller can be produced.
Bevorzugt wird bei der Bronze ein Verhältnis von Kupfer zu Zinn zwischen 95%/5% und 85%/15% gewählt. Bei einem Verhältnis von 90% Kupfer zu 10% Zinn und einer Schmelztemperatur von über 900°C haben sich die besten Resultate für den Formschluss mit dem eisenhaltigen Metall der äußeren Schicht ergeben.Preferably, in the case of the bronze, a ratio of copper to tin of between 95% / 5% and 85% / 15% is selected. At a ratio of 90% copper to 10% tin and a melting temperature of over 900 ° C, the best results for the positive connection with the ferrous metal of the outer layer have resulted.
Besonders bevorzugt besteht der Rotor aus Aluminiumbronze. Aluminiumbronze weist Kupfer, Eisen und Nickel und als Hauptlegierungszusatz ca. 10% Aluminium auf. Aluminiumbronzen haben den Vorteil, dass sie sehr korrosionsbeständig sind.Particularly preferably, the rotor is made of aluminum bronze. Aluminum bronze has copper, iron and nickel and the main alloying additive is about 10% aluminum. Aluminum bronzes have the advantage that they are very resistant to corrosion.
Besonders bevorzugt wird auch Zinnbronze für den Rotor verwendet. Zinnbronze weist Kupfer, Zinn und Blei auf. Zinnbronzen haben den Vorteil, dass sie ebenfalls sehr korrosionsbeständig sind. Tin bronze is also particularly preferably used for the rotor. Tin bronze has copper, tin and lead. Tin bronzes have the advantage that they are also very resistant to corrosion.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können auch beständige Kunststoffe und Edelstahl als Materialien für das Laufrad verwendet.In a further particularly preferred embodiment of the invention also resistant plastics and stainless steel can be used as materials for the impeller.
Bevorzugt weist das Laufrad eine zylindrisch ausgebildete Schicht aus Bronze auf, die das Laufrad radial begrenzt. Durch die radiale Begrenzung ist ein Formschluss mit der äußeren Schicht besser erreichbar. Die Dicke der Schicht entspricht in etwa 5% bis 25%, bevorzugt 15% des Rotordurchmessers.Preferably, the impeller has a cylindrically formed layer of bronze, which radially bounds the impeller. Due to the radial limitation a positive connection with the outer layer is better accessible. The thickness of the layer corresponds to approximately 5% to 25%, preferably 15% of the rotor diameter.
Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht mit dem Laufrad über die das Laufrad radial begrenzende Schicht vergossen. Hierbei ist eine stabile und formschlüssige Verbindung zwischen dem Laufrad und der äußeren Schicht herstellbar.Particularly preferably, the outer layer with the impeller over the impeller radially encapsulating layer shed. Here, a stable and positive connection between the impeller and the outer layer can be produced.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht die radial verlaufende äußere Schicht aus Stahl, bevorzugt aus beruhigtem Stahl, besonders bevorzugt aus S355J2+N, gemäß
Aufgrund des höheren Schmelzpunktes des beruhigten Stahls findet beim Vergießen der Bronze lediglich ein Erhitzen, ohne ein Schmelzen, des Stahls statt. Dabei kommt es zu einer formschlüssigen Verbindung der Bronze mit dem Stahl. Bevorzugt kommt es durch das Schrumpfen/Schwinden der Bronze beim Erkalten der Schmelze auch zu einer kraftschlüssigen Verbindung.Due to the higher melting point of the tempered steel, the casting of the bronze merely involves heating, without melting, of the steel. This results in a positive connection of the bronze with the steel. The shrinkage / shrinkage of the bronze during cooling of the melt also leads to a frictional connection.
Bevorzugt weist das eisenhaltige Metall noch weitere Metalle oder Metalllegierungen auf, wie Kupfer, Zinn, Nickel, Blei, Mangan und/oder Messing. Dadurch lassen sich physikalische Eigenschaften, wie Härte, Schmelzpunkt, Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, etc. beeinflussen.Preferably, the iron-containing metal to other metals or metal alloys, such as copper, tin, nickel, lead, manganese and / or brass. As a result, physical properties such as hardness, melting point, weight, corrosion resistance, etc. can be influenced.
Bevorzugt weist der Stahl St52-3N Legierungselemente, wie Nickel und Mangan auf.Preferably, the steel St52-3N has alloying elements such as nickel and manganese.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die äußere Schicht an ihrer Innenseite (innenliegende Mantelfläche) Vertiefungen, Erhöhungen, Sicken, und/oder Scherzapfen auf. Dadurch kann die flüssige Bronze in die hohlen Bereiche der äußeren Schicht eindringen, um so eine verbesserte Formschlüssigkeit und Kraftschlüssigkeit zu erreichen.In a further preferred embodiment of the present invention, the outer layer on its inner side (inner circumferential surface) depressions, elevations, beads, and / or journals. As a result, the liquid bronze can penetrate into the hollow regions of the outer layer, so as to achieve an improved form-fitting and force-fit.
Vorzugsweise weist die äußere Schicht Verlängerungen (auskragende Teilbereiche) in axialer Richtung auf. Diese tragen zu einem verbesserten Formschluss mit der Bronze nach dem Vergießen der Bronze bei. Bevorzugt sind die Verlängerungen stufenartig ausgebildet und symmetrisch entlang der Hohlzylinderkante angeordnet. Vorzugsweise sind nach dem Vergießen am Laufrad entsprechend ausgestaltete Aufnahmemöglichkeiten für die Verlängerungen der äußeren Schicht ausgebildet, um so einen Formschluss mit der äußeren Schicht zu schaffen.Preferably, the outer layer has extensions (projecting portions) in the axial direction. These contribute to an improved positive connection with the bronze after the casting of the bronze. Preferably, the extensions are step-like and arranged symmetrically along the hollow cylinder edge. Preferably, after the casting on the impeller, suitably configured receiving possibilities for the extensions of the outer layer are formed so as to create a positive connection with the outer layer.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die äußere Schicht an ihrer Außenseite Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken auf. Die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken an der Außenseite (außenliegende Mantelfläche) dienen der Aufnahme von Magneten.In a further preferred embodiment of the present invention, the outer layer on its outer side recesses, recesses and / or beads. The recesses, recesses and / or beads on the outside (outer circumferential surface) are used to hold magnets.
Vorzugsweise sind Magnete in die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken einbringbar. Das Haltern/Fixieren der Magnete, wird zum Einen durch die Anziehungskraft (Magnetismus) zwischen der eisenhaltigen äußeren Schicht und den entsprechenden Magneten erreicht. Zum Anderen kann mit Klebstoffen, bevorzugt harzhaltigen Klebemitteln, eine zusätzliche Haltekraft erzeugt werden, die die Magnete auf der äußeren Schicht fixiert.Preferably, magnets in the recesses, recesses and / or beads can be introduced. The holding / fixing of the magnets is achieved on the one hand by the attraction (magnetism) between the iron-containing outer layer and the corresponding magnets. On the other hand, with adhesives, preferably resinous adhesives, an additional holding force can be generated, which fixes the magnets on the outer layer.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Magneten um Permanentmagnete.Particularly preferably, the magnets are permanent magnets.
Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht mittels einer Abdeckung luft- und wasserdicht versiegelbar/verschließbar. Durch diese Abdeckung lässt sich ein Rosten des korrosionsanfälligen Eisens/Stahls unterbinden. Vorzugsweise ist die Abdeckung rohrförmig ausgebildet und besteht bevorzugt aus Kunststoffmaterial oder Edelstahl.Particularly preferably, the outer layer by means of a cover air-tight and waterproof sealable / closable. Through this cover, rusting of the corrosion-prone iron / steel can be prevented. Preferably, the cover is tubular and is preferably made of plastic material or stainless steel.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Rotor in einer elektrischen Maschine in einer Pumpe, bevorzugt in Wasserturbinen verwendet.In a further embodiment of the invention, the rotor is used in an electric machine in a pump, preferably in water turbines.
Dabei kommt bevorzugt ein Stator zur Anwendung, der als feststehender, unbeweglicher Teil der jeweiligen Vorrichtung als Gegenstück zum Rotor verwendet wird.In this case, preferably a stator is used, which is used as a stationary, immovable part of the respective device as a counterpart to the rotor.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10: Verfahren zur Herstellung eines Rotors, umfassend die Schritte
- – Einbringen einer zumindest teilweise hohlzylindrischen äußeren Schicht aus eisenhaltigem Metall in eine Gussform,
- – Eingießen von Bronze in die Gussform,
- – Abkühlen der Bronze,
- – Entnahme des fertig vergossenen Rotors und
- – spanende Bearbeitung des Rotors.
- Introducing an at least partially hollow-cylindrical outer layer of ferrous metal into a casting mold,
- Pouring bronze into the mold,
- - cooling the bronze,
- - Removal of the finished potted rotor and
- - Machining the rotor.
Eine Vielzahl von Fertigungsschritten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, fällt damit weg. A variety of manufacturing steps, as they are known from the prior art, thus falls away.
Bevorzugt liegt der Schmelzpunkt der Bronze, entsprechend dem Verhältnis von Kupfer zu Zinn, zwischen ca. 232°C und 1084°C. Aufgrund des höheren Schmelzpunktes des eisenhaltigen Metallrückens findet beim Vergießen der Bronze lediglich ein Erhitzen, ohne ein Schmelzen, des Stahls statt.Preferably, the melting point of the bronze, corresponding to the ratio of copper to tin, between about 232 ° C and 1084 ° C. Due to the higher melting point of the iron-containing metal back, the casting of the bronze merely involves heating, without melting, of the steel.
Die äußere Schicht aus Stahl behält seine Position in der Gussform bei. Lediglich die Bronze wird in die Gussform eingelassen um sich um den Stahl herum zu verteilen.The outer steel layer maintains its position in the mold. Only the bronze is let into the mold to spread around the steel.
Das Eingießen von Bronze in die Gussform erfolgt bevorzugt innerhalb einer kurzen Zeitspanne von 2 bis 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 3 Minuten, um ein gleichmäßiges Abkühlen der vergossenen Bronze zu bewerkstelligen.The pouring of bronze into the mold is preferably carried out within a short period of 2 to 5 minutes, more preferably within 3 minutes, to effect uniform cooling of the potted bronze.
Bevorzugt findet ein mechanisches Nachbearbeiten des fertig vergossenen Rotors mit entsprechenden Vorrichtungen statt, damit bspw. Unebenheiten oder störende Gussreste vom Rotor entfernt werden können.Preferably, a mechanical reworking of the finished molded rotor takes place with corresponding devices so that, for example, unevenness or disturbing cast residues can be removed from the rotor.
Besonders bevorzugt sind vom Verfahren ferner folgende Schritte umfasst:
- – Einbringen von Magneten in Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken entlang der Mantelfläche der äußeren Schicht und
- – Versiegeln der äußeren Schicht mittels einer luft- und wasserdichten Abdeckung.
- - Introducing magnets in recesses, recesses and / or beads along the outer surface of the outer layer and
- - Seal the outer layer by means of an airtight and watertight cover.
Die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken werden bevorzugt mittels Fräs- oder Bohrköpfen in die Mantelfläche der äußeren Schicht eingebracht.The recesses, recesses and / or beads are preferably introduced by means of milling or drilling heads in the outer surface of the outer layer.
Mit der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und ein höherer Wirkungsgrad zu erreichbar.With the present invention, improved corrosion resistance and higher efficiency can be achieved.
Die Erfindung soll nun anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter veranschaulicht werden. Hierbei zeigt:The invention will now be illustrated by way of example with reference to a drawing. Hereby shows:
Die
Der Rotor
Alternativ könnte die Konstruktion aber auch ohne Welle ausgeführt werden. Dabei sind Gleitlager an der Außenfläche des Rotors (und im Stator) einbringbar, so dass der Rotor direkt in einem Statorgehäuse geführt werden kann (nicht dargestellt).Alternatively, the construction could also be carried out without a shaft. In this case, plain bearings on the outer surface of the rotor (and in the stator) can be introduced, so that the rotor can be performed directly in a stator housing (not shown).
Das Laufrad
Die äußere Schicht
Die äußere Schicht
In
Die äußere Schicht
Die
Das Laufrad
Das Laufrad
Nach dem Zusammenfügen der äußeren Schicht aus der
Die äußere Schicht
Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rotorrotor
- 22
- LaufradWheel
- 33
- Laufradblatt, RotorschaufelImpeller blade, rotor blade
- 44
- Laufradwelleimpeller shaft
- 55
- die das Laufrad radial begrenzende Schichtthe impeller radially bounding layer
- 66
- äußere Schichtouter layer
- 77
- Verlängerungrenewal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed |