DE102013200476A1 - Permanent magnet-excited two-pole synchronous machine e.g. wind force generator, for use as inner rotor machine in wind-power plant, has pockets comprising magnets that exhibits magnetization direction to form magnetic poles of rotor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator, der ein in Nuten positioniertes Wicklungssystem aufweist und einen Rotor mit vergrabenen Permanentmagneten. The invention relates to a permanent magnet synchronous machine with a stator having a winding system positioned in grooves and a rotor with buried permanent magnets.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Verfahren zur Herstellung permanenterregter Synchronmaschinen und deren Rotoren. The invention also relates to methods for producing permanent-magnet synchronous machines and their rotors.
Bei permanenterregten Synchronmaschine werden die Pole durch Permanentmagnete gebildet. Um Permanentmagnete an Rotoren permanenterregter dynamoelektrischer Maschinen zu befestigen, sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Dabei befinden sich beispielsweise Permanentmagnete an der Oberfläche eines Rotors, in dem sie direkt an die Oberfläche geschraubt, auf einen Träger geklebt oder die Träger am Läufer angeschraubt sind. In permanent-magnet synchronous machine, the poles are formed by permanent magnets. In order to attach permanent magnets to rotors of permanently excited dynamoelectric machines, different methods are known. In this example, permanent magnets are on the surface of a rotor in which they are screwed directly to the surface, glued to a support or the carrier are screwed to the rotor.
Des Weiteren ist bekannt, Permanentmagnete in axial verlaufende Taschen eines Rotors einzuschieben und somit einen Pol auszubilden. Bei diesen so genannten vergrabenen Magneten befinden sich die Permanentmagnete somit direkt im Blechpaket des Rotors. Es ist aber u.a. aus mechanischen Festigkeitsgründen ein bestimmter Abstand benachbarter Pole einzuhalten, d.h. es ist eine bestimmte Polteilung mit einer vorgegebenen Polbedeckung vorzusehen. Eine Schrägung eines Pols über die axiale Länge des Rotors betrachtet, lässt sich bei großen, insbesondere hochpoligen Maschinen nur sehr umständlich und aufwändig realisieren. Furthermore, it is known to insert permanent magnets in axially extending pockets of a rotor and thus to form a pole. In these so-called buried magnets, the permanent magnets are thus directly in the laminated core of the rotor. But it is u.a. for mechanical strength reasons, to maintain a certain spacing of adjacent poles, i. it is to provide a certain pole pitch with a predetermined Polübereckung. Considering a skew of a pole over the axial length of the rotor can be realized very cumbersome and expensive in large, especially high-poled machines.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Rotor bereitzustellen, die bei vereinfachter Herstellung Pendelmomente und Rastmomente der permanenterregten Synchronmaschine reduziert. Dies soll insbesondere bei hochpoligen Synchronmaschinen erreicht werden. Proceeding from this, the object of the invention is to provide a permanent-magnet synchronous machine with a rotor which, with simplified production, reduces pendulum moments and cogging torques of the permanent-magnet synchronous machine. This should be achieved in particular in high-pole synchronous machines.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit
- – einem Stator, der ein in Nuten positioniertes Wicklungssystem aufweist,
- – einem Rotor mit Permanentmagneten, der mit einem durch das Wicklungssystem des Stators im Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine erzeugten Magnetfeld über einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor derart elektromagnetisch wechselwirkt, dass sich eine Rotation des Rotors um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung einstellt,
- – im oder am Rotor axial verlaufenden Taschen, wobei eine Tasche zumindest zwei Magnetpolpaare mit unterschiedlich ausgerichteter Magnetisierungsrichtung aufweist.
- A stator having a winding system positioned in grooves,
- A rotor with permanent magnets which interacts electromagnetically with a magnetic field generated by the winding system of the stator during operation of the permanent-magnet synchronous machine via an air gap between the stator and the rotor such that rotation of the rotor adjusts about an axis of rotation in a direction of rotation,
- - In or on the rotor axially extending pockets, wherein a pocket has at least two magnetic pole pairs with differently oriented magnetization direction.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem Stator, der ein in Nuten positioniertes Wicklungssystem aufweist, einem Rotor mit Permanentmagneten, der mit einem durch das Wicklungssystem des Stators im Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine erzeugten Magnetfeld über einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor derart elektromagnetisch wechselwirkt, dass sich eine Rotation des Rotors um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung einstellt, im oder am Rotor axial verlaufenden Taschen, wobei eine Tasche zumindest zwei Magnetpolpaare mit unterschiedlich ausgerichteter Magnetisierungsrichtung aufweist durch folgende Schritte:
- – Stanzpaketieren von Blechen und Bildung eines Rotors, derart, dass durch Schichten der Bleche im Rotor axial verlaufende Taschen ausgebildet werden,
- – axiales Einschieben von Magnetpolpaaren unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung, wobei in Rotationsrichtung betrachtet die Permanentmagnete einer Tasche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung durch Abstandshalter getrennt werden.
- Punching packages of laminations and forming a rotor such that axially extending pockets are formed by laminating the laminations in the rotor,
- - Axial insertion of Magnetpolpaaren different magnetization direction, wherein viewed in the direction of rotation, the permanent magnets of a pocket with different magnetization direction are separated by spacers.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein weiteres Verfahren zur Herstellung des oben genannten Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine durch folgende Schritte:
- – Herstellen eines vorzugsweise ungeblechten, ein- oder mehrteiligen rotationssymmetrischen Trägers, als Basis für einen Rotor, auf welchem Träger durch Laschen an der Oberfläche axial verlaufende Taschen gebildet werden,
- – Ausbildung von Polen unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung, durch axiales Einschieben von Permanentmagneten und Abstandshaltern, vorzugsweise als vorgefertigte Polpaare in die axial verlaufenden Taschen, wobei in Rotationsrichtung betrachtet die somit gebildeten Pole einer Tasche durch Abstandshalter getrennt sind.
- - Producing a preferably non-braided, one or more parts rotationally symmetrical carrier, as a basis for a rotor, on which carrier by tabs on the surface axially extending pockets are formed,
- - Formation of poles of different magnetization direction, by axially inserting permanent magnets and spacers, preferably as prefabricated pole pairs in the axially extending pockets, wherein viewed in the direction of rotation, the thus formed poles of a pocket are separated by spacers.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein weiteres Verfahren zur Herstellung des oben genannten Rotors durch folgende Schritte:
- – Herstellen eines vorzugsweise ungeblechten, ein- oder mehrteiligen rotationssymmetrischen Trägers, als Basis für einen Rotor,
- – Befestigung von Laschen auf der Oberfläche des Trägers,
- – axiales Einschieben von Polpaaren unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung, wobei in Rotationsrichtung (R) betrachtet die Permanentmagnete einer Tasche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung durch Abstandshalter getrennt werden.
- Producing a preferably un-braided, one-part or multi-part rotationally symmetrical carrier, as a base for a rotor,
- - fastening tabs on the surface of the carrier,
- - Axial insertion of pole pairs of different magnetization direction, wherein viewed in the direction of rotation (R), the permanent magnets of a pocket with different magnetization direction are separated by spacers.
Erfindungsgemäß wird nunmehr pro axial im oder am Rotor verlaufender Tasche ein, vorzugsweise zwei oder mehr Magnetpolpaare unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung eingesetzt. Jeder Permanentmagnet weist ein Magnetpolpaar (Nordpol-Südpol) auf. Demzufolge befinden sich in einer Tasche ein, zwei oder mehr für den Betrieb der dynamoelektrischen Maschine elektromagnetisch wirksamen Pole. Dabei sind die Permanentmagnete eines Pols mit ihren Magnetpolpaaren so angeordnet, dass der Nordpol dem Luftspalt zugewandt ist. Der oder die Permanentmagnete des anderen Pols in derselben Tasche sind mit ihrem Südpol dem Luftspalt zugewandt. Zwischen den beiden Polen ist kein Blechsteg vorhanden. According to the invention, a pocket that runs axially in or on the rotor is now inserted, preferably two or more magnetic pole pairs of different magnetization used. Each permanent magnet has a magnetic pole pair (north pole south pole). Accordingly, in a pocket, there are one, two or more electromagnetically effective poles for the operation of the dynamoelectric machine. The permanent magnets of a pole with their magnetic pole pairs are arranged so that the north pole faces the air gap. The one or more permanent magnets of the other pole in the same pocket face the air gap with their south pole. There is no sheet metal bridge between the two poles.
Die einem Luftspalt zugewandten Nord- und Südpole der Permanentmagnete bilden zwei unterschiedliche Pole und befinden sich in einer Tasche, also einer im Wesentlichen axial verlaufenden Ausnehmung im oder am Rotor. The north and south poles of the permanent magnets facing an air gap form two different poles and are located in a pocket, ie a substantially axially extending recess in or on the rotor.
In einer axial verlaufenden Ausnehmung befinden sich somit allgemein dargestellt ein, insbesondere zwei oder mehr Pole, wobei die einzelnen Pole jeweils durch einen oder mehrere Permanentmagnete gebildet werden. Die Permanentmagnete eines jeden Pols weisen Permanentmagnete gleicher Magnetisierungsrichtung auf. Die Ausnehmung oder Tasche am Rotor wird dabei durch Laschen gebildet an der Oberfläche des Rotors gebildet. In an axially extending recess are thus generally shown one, in particular two or more poles, wherein the individual poles are each formed by one or more permanent magnets. The permanent magnets of each pole have permanent magnets of the same magnetization direction. The recess or pocket on the rotor is formed by tabs formed on the surface of the rotor.
Die Ausnehmungen oder axial verlaufenden Taschen im Rotor sind in Umfangsrichtung oder Rotationsrichtung betrachtet, jeweils komplett von einem Blech bzw. Material des Rotors
Zur zusätzlichen Fixierung zweier Pole in einer Tasche, deren Magnetisierungsrichtung sich um 180° unterscheidet und die jeweils durch einen oder mehrere Permanentmagnete gebildet sind, ist in Rotationsrichtung des Rotors betrachtet, zwischen diesen Permanentmagneten ein Abstandshalter eingesetzt. For additional fixation of two poles in a pocket whose direction of magnetization differs by 180 ° and which are each formed by one or more permanent magnets, viewed in the direction of rotation of the rotor, a spacer is inserted between these permanent magnets.
Bei mehreren Polen in einer Tasche ist in Rotationsrichtung des Rotors betrachtet zwischen benachbarten Polen jeweils ein Abstandshalter eingesetzt. Benachbarte Pole insbesondere in einer Tasche unterscheiden sich in ihrer Magnetisierungsrichtung um 180°. In the case of several poles in a pocket, one spacer is used in each case between adjacent poles in the direction of rotation of the rotor. Adjacent poles in particular in a pocket differ in their magnetization direction by 180 °.
Diese Abstandshalter sind seitlich an den Permanentmagneten befestigt, vorzugsweise geklebt, so dass nunmehr ein komplettes Paket gebildet werden kann. Dieses Paket enthält zumindest zwei unterschiedliche Pole wobei die benachbarten Pole einer Tasche unterschiedliche, insbesondere um 180 Grad versetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Eine Tasche weist also zumindest zwei komplette Pole auf, wobei die Permanentmagnete innerhalb der Tasche so ausgerichtet sind, dass die oder der Permanentmagnet(e) des einen Pols mit dem Nordpol zum Luftspalt ausgerichtet sind, während die oder der Permanentmagnet(e) des anderen Pols mit dem Südpol zum Luftspalt ausgerichtet sind. These spacers are attached laterally to the permanent magnets, preferably glued, so that now a complete package can be formed. This package contains at least two different poles wherein the adjacent poles of a pocket have different, in particular offset by 180 degrees magnetization directions. A bag thus has at least two complete poles, wherein the permanent magnets within the pocket are aligned so that the or the permanent magnet (s) of one pole are aligned with the north pole to the air gap, while the or the permanent magnet (s) of the other pole aligned with the south pole to the air gap.
Bei mehreren Polen in einer Tasche wechseln sich in Rotationsrichtung des Rotors, also in Umfangsrichtung betrachtet die Magnetisierungsrichtungen. Auf einen Nordpol folgt ein Südpol, folgt ein Nordpol usw. In the case of several poles in a pocket, the direction of magnetization changes in the direction of rotation of the rotor, that is to say in the circumferential direction. A north pole is followed by a south pole, followed by a north pole, etc.
In Rotationsrichtung betrachtet befindet sich zwischen den Polen einer Tasche ein Abstandshalter. When viewed in the direction of rotation, there is a spacer between the poles of a bag.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstandshalter ganz oder teilweise permanentmagnetisch ausgeführt und kann damit den u.a. zwischen der Tasche und dem Luftspalt einsetzenden Streufluss zwischen den Permanentmagneten benachbarter Pole entgegenwirken. Der Abstandshalter ist dabei ein schwach magnetisierter Selten-Erden-Magnet oder ein Hartferritmagnet. Damit reduziert sich der Streufluss der permanenterregten Synchronmaschine und die Maschinenausnutzung wird erhöht. In a further embodiment, the spacer is wholly or partially permanent magnetic and can thus u.a. counteract between the pocket and the air gap leakage flux between the permanent magnets of adjacent poles. The spacer is a weakly magnetized rare earth magnet or a hard ferrite magnet. This reduces the stray flux of the permanent-magnet synchronous machine and increases machine utilization.
Des Weiteren reduziert sich der Montageaufwand der permanenterregten Synchronmaschine, da nunmehr für die gleiche Polzahl des Rotors abhängig von der Anzahl der Pole eines Magnetpakets nur noch ca. die Hälfte oder ein Drittel oder Viertel derartiger Magnetpakete wie im Stand der Technik axial in die Taschen eingeschoben werden muss bzw. auf der Oberfläche des Trägers angeordnet werden muss. Furthermore, the assembly effort of the permanent-magnet synchronous machine is reduced, since now for the same number of poles of the rotor depending on the number of poles of a magnetic packet only about half or a third or quarter of such magnetic packets are axially inserted into the pockets as in the prior art must or must be arranged on the surface of the carrier.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorteilhafterweise eine axiale Positionierung der Permanentmagnete eines Pols mit Hilfe der Abstandhalter in der Tasche derart vorgenommen, dass sich über die axiale Länge des Rotors betrachtet eine Schrägung oder Staffelung dieses Pols einstellt. Damit reduzieren sich bei vergleichsweise einfacher Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors und damit der permanenterregten Synchronmaschine die Pendel- und Rastmomente im Betrieb dieser dynamoelektrischen permanenterregten Synchronmaschine. In a preferred embodiment, an axial positioning of the permanent magnets of a pole is advantageously carried out with the aid of the spacers in the pocket in such a way that, viewed over the axial length of the rotor, a skew or graduation of this pole is established. This reduces the pendulum and cogging moments in the operation of this dynamo-electric permanent-magnet synchronous machine with a comparatively simple production of a rotor according to the invention and thus the permanent-magnet synchronous machine.
Auch bei nur einem Pol pro Tasche kann somit erfindungsgemäß durch Anordnung von Permanentmagneten dieses Pols mit den oben beschriebenen Abstandshaltern eine Schrägung bzw. Staffelung des Pols über seine axiale Länge in herkömmlich verlaufenden Ausnehmungen im oder am Rotor geschaffen werden. Even with only one pole per pocket can thus be created according to the invention by arranging permanent magnets of this pole with the spacers described above, a skewing or staggering of the pole over its axial length in conventionally extending recesses in or on the rotor.
Allen Ausführungsformen ist gemein, dass das Blechpaket des Rotors bzw. der Träger des Rotors gegenüber herkömmlichen Ausführungen nicht verändert werden muss. Dies wird durch konstruktive Gestaltung des Aufbaus des oder der Pole einer Tasche durch Permanentmagnete und Abstandshalter in Rotationsrichtung und in axialer Länge des Rotors erreicht. All embodiments have in common that the laminated core of the rotor and the carrier of the rotor over conventional designs not must be changed. This is achieved by constructive design of the structure of the pole or of a pocket by permanent magnets and spacers in the direction of rotation and in the axial length of the rotor.
Der erfindungsgemäße Gedanke kann sowohl für Innenläufer- als auch für Außenläufermaschinen angewandt werden. The inventive concept can be applied to both internal rotor and external rotor machines.
Die Erfindung wird insbesondere bei großen dynamoelektrischen Maschinen wie beispielsweise Windkraftgeneratoren größer 3 MW, als auch Rohrmühlen angewandt. The invention is used in particular in large dynamoelectric machines such as wind power generators greater than 3 MW, as well as tube mills.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: The invention and further advantageous embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown; show in it:
Durch einen Luftspalt
Dabei wird bei Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine
Der Rotor
Der Träger
Der Träger
Die Permanentmagnete
Um nunmehr zwei Magnetpole
lich zu diesem Abstandshalter
Gemäß dem Aufbau nach
Das Gegenfeld
Da der Abstandshalter
Der Knick
Jeder Pol
Ausnahmen werden in den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Exceptions will be described in the following embodiments.
Um die wirtschaftlichen Vorteile von quaderförmigen Permanentmagneten ausnutzen zu können dürfen die Permanentmagnete
Um bei gleichbleibender Breite der Permanentmagnete
Auch eine Schrägung der Permanentmagnete
Insbesondere in den
Erfindungsgemäß befinden sich die Permanentmagnete
Der Rotor
Unter jeder Lasche
Bei großen dynamoelektrischen Maschinen, wie sie z.B. in Windkraftanlagen eingesetzt werden, sind aufgrund der hohen Anzahl der Pole
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