DE102013209186A1 - Component of an electrical machine and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Komponente (2) für eine elektrische Maschine (1), umfassend: – einen Trägerkörper (3); – mindestens einen in dem Trägerkörper (3) eingebetteten Leiterabschnitt (7); – mindestens einen am Leiterabschnitt (7) in dem Trägerkörper (3) gebildeten Stegbereich (8), wobei der mindestens eine Stegbereich (8) mit einem im Vergleich zum übrigen Trägerkörper (3) hohen relativen magnetischen Widerstand ausgebildet ist.The invention relates to a component (2) for an electrical machine (1), comprising: a carrier body (3); - At least one conductor section (7) embedded in the carrier body (3); - At least one web region (8) formed on the conductor section (7) in the carrier body (3), the at least one web region (8) being designed with a high relative magnetic resistance compared to the rest of the carrier body (3).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft allgemein eine Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere einen Rotor einer Asynchronmaschine.The invention generally relates to a component of an electrical machine, in particular a rotor of an asynchronous machine.
Stand der TechnikState of the art
Eine Asynchronmaschine ermöglicht beispielsweise im Vergleich zu einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine eine hohe Drehmomentendichte bei geringeren Fertigungs- und Materialkosten. Zudem sind Asynchronmaschinen robust und weisen eine hohe Lebensdauer auf. An asynchronous machine, for example, compared to a brush-commutated electric machine allows a high torque density at lower manufacturing and material costs. In addition, asynchronous machines are robust and have a long service life.
Bei Asynchronmotoren bewirkt ein von einem Stator erzeugtes drehendes Statorfeld, dass in den Kurzschlusswicklungen eines Rotors Spannungen induziert werden. Die aus den induzierten Spannungen resultierenden Ströme erzeugen ein Magnetfeld in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, wobei das Magnetfeld seiner Ursache, nämlich dem sich drehenden Statorfeld, entgegenwirkt. So wirkt auf den Rotor im Statorfeld eine Kraft, die eine Drehung bewirkt. In asynchronous motors, a rotating stator field generated by a stator causes voltages to be induced in the short-circuit windings of a rotor. The resulting from the induced voltages generate a magnetic field in an air gap between the rotor and stator, the magnetic field counteracts its cause, namely the rotating stator field. Thus, a force acts on the rotor in the stator field, causing it to rotate.
Asynchronmaschinen werden heute vor allem mit Kurzschlussläufern ausgeführt, die Kurzschlusswicklungen insbesondere aus leitfähigem Kupfer- oder Aluminiummaterial aufweisen. Today, asynchronous machines are mainly designed with squirrel-cage rotors which have short-circuit windings, in particular made of conductive copper or aluminum material.
Die Kurzschlusswicklungen können in einem geblechten Rotorkörper durch einen Gießvorgang hergestellt oder als Steckwicklungen in den Rotorkörper eingesetzt werden. The short-circuit windings can be produced in a laminated rotor body by a casting process or used as plug-in windings in the rotor body.
Die Kurzschlusswicklungen können sich in Längsnuten eines aus Eisenblechscheiben zusammengesetzten zylindrischen Eisenkörpers befinden. Ferner können die sich axial erstreckenden Abschnitte der Kurzschlusswicklungen, die einen sogenannten Käfiganker bilden, an den Stirnseiten des Rotors miteinander, beispielsweise durch einen leitfähigen Ring, kurzgeschlossen sein.The short-circuit windings may be located in longitudinal grooves of a cylindrical iron body composed of sheet iron disks. Furthermore, the axially extending portions of the short-circuit windings, which form a so-called cage anchor, at the end faces of the rotor with each other, for example by a conductive ring, be short-circuited.
Um die mechanische Festigkeit des Rotors zu verbessern, insbesondere bei einem Rotor für eine hohe Drehzahl mit einer vergleichsweise hohen Massenträgheit, können die Kurzschlusswicklungen in dem Rotorkörper eingebettet ausgeführt sein. In diesem Fall wird in radialer Richtung zwischen dem Luftspalt und einem axial verlaufenden Abschnitt der Kurzschlusswicklung ein Steg aus dem magnetisch leitfähigen Material des Rotorkörpers ausgebildet. In order to improve the mechanical strength of the rotor, in particular in a rotor for a high speed with a comparatively high mass inertia, the short-circuit windings can be embodied embedded in the rotor body. In this case, a web is formed from the magnetically conductive material of the rotor body in the radial direction between the air gap and an axially extending portion of the short-circuit winding.
Aufgrund der Bauform der Maschine können durch den Steg magnetische Kurzschlüsse zwischen benachbarten Rotorpolen entstehen, die sich zwischen benachbarten Leiterseiten der Kurzschlusswicklungen ausbilden. Der kurzgeschlossene Teil des ausgebildeten Magnetfelds trägt jedoch nicht zur Drehmomentenbildung bei und verringert dadurch den Wirkungsgrad der Maschine.Due to the design of the machine can cause magnetic short circuits between adjacent rotor poles, which form between adjacent conductor sides of the short-circuit windings through the web. However, the short-circuited portion of the formed magnetic field does not contribute to the torque generation and thereby reduces the efficiency of the machine.
Aus der Druckschrift
Die Offenlegungsschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere einen Läufer, bereitzustellen, insbesondere eine Komponente, die eine gute mechanische Festigkeit und eine effiziente Drehmomentenbildung aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. It is an object of the present invention to provide a component of an electric machine, in particular a rotor, in particular a component which has a good mechanical strength and an efficient torque generation, and a method for the production thereof.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch eine Komponente für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch eine elektrische Maschine und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Komponente für eine elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. This object is achieved by a component for an electric machine according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further advantageous embodiments of the present invention are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Komponente für eine elektrische Maschine geschaffen, umfassend:
- – einen Trägerkörper aus einem magnetisch leitfähigen, insbesondere ferromagnetischen Material;
- – mindestens einen in dem Trägerkörper eingebetteten Leiterabschnitt;
- – mindestens einen am Leiterabschnitt in dem Trägerkörper gebildeten Stegbereich, der zwischen dem Leiterabschnitt und einer Oberfläche des Trägerköpers gebildet ist,
- - A support body of a magnetically conductive, in particular ferromagnetic material;
- - At least one embedded in the carrier body conductor portion;
- At least one web region formed on the conductor section in the carrier body and formed between the conductor section and a surface of the carrier body,
Eine Idee der obigen Vorrichtung ist, eine Leistungssteigerung einer elektrischen Maschine durch gezielte und feinjustierte Leitung des magnetischen Flusses bereitzustellen und insbesondere den magnetischen Fluss durch den Stegbereich zu verringern. An idea of the above device is to increase the performance of an electric machine by targeted and fine-tuned management of the To provide magnetic flux and in particular to reduce the magnetic flux through the land area.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die magnetische Permeabilität von magnetisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Elektroblech, insbesondere gestapelt gebildetem Elektroblech, in gezielter Weise lokal verringert wird, was als magnetische Trennung bezeichnet werden kann. Durch das Erzeugen von magnetisch nicht oder schlecht leitfähigen, jedoch mechanisch stabilen Trennbereichen zwischen den einzelnen Rotorsegmenten, können magnetische Streuverluste reduziert werden. Demzufolge kann die Momentendichte der Komponente der elektrischen Maschine erhöht werden. This can be achieved by locally reducing the magnetic permeability of magnetically conductive material, such as electrical steel, in particular stacked formed electrical steel, which can be referred to as magnetic separation. By generating magnetically impermeable or poorly conductive, but mechanically stable separation regions between the individual rotor segments, magnetic leakage losses can be reduced. As a result, the torque density of the component of the electric machine can be increased.
Zudem ermöglicht diese Idee eine Flexibilität bei der Auslegung der Spaltbreiten und der Leiterquerschnitte. In addition, this idea allows flexibility in the design of the gap widths and the conductor cross-sections.
Anders gesagt kann somit der relative magnetische Widerstand in den Flussbrücken oder Stegen durch gezielte Maßnahmen erhöht werden, ohne dass der Rotor an mechanischer Festigkeit verliert.In other words, the relative magnetic resistance in the flux bridges or webs can thus be increased by targeted measures without the rotor losing mechanical strength.
Dadurch, dass der Leiterabschnitt in dem Trägerkörperkörper eingebettet ist, kann es ermöglicht sein, dass der Leiterabschnitt entgegen einer mechanischen Belastung, beispielsweise einer Fliehkraftwirkung, mechanisch am Trägerkörper gehalten bleibt.The fact that the conductor section is embedded in the carrier body body, it may be possible that the conductor section against a mechanical load, such as a centrifugal force, mechanically retained on the carrier body.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Stegbereich durch örtliches Aufbringen eines Einbringmaterials und anschließendes örtliches Umschmelzen gebildet sein. Das Einbringmaterial kann in seiner Zusammensetzung so definiert sein, dass durch gemeinsames Aufschmelzen von flussleitendem Material des Trägerkörpers und Einbringmaterial im umgeschmolzenen Bereich für das gesamte Intervall der bei Fertigung, Stillstand oder Betrieb auftretenden Temperaturen ein Bereich eines nicht ferromagnetischen Materials entstehen kann. Beispielswese kann ein austenitisches Gefüge, das nicht ferromagnetisch ist, eingestellt werden. According to one embodiment, the web region can be formed by local application of an introduction material and subsequent local remelting. The introduction material may be defined in its composition so that a range of a non-ferromagnetic material may be formed by jointly melting flux-conducting material of the carrier body and introducing material in the remelted area for the entire interval of temperatures occurring during manufacture, standstill or operation. For example, an austenitic structure that is not ferromagnetic can be set.
Um dies zu erreichen, kann das Einbringmaterial einen hohen Gehalt an beispielsweise Nickel, Mangan und/oder Kupfer aufweisen. Die Wirkung kann durch zusätzlichen Gehalt von beispielsweise Kohlenstoff und/oder Chrom erhöht werden. Mögliche Bereiche der Zusammensetzung des umgeschmolzenen Bereichs können wie folgt vorgesehen sein:
Insbesondere kann das Einbringmaterial als Band, Draht, Stab oder Pulver zugeführt sein und das Umschmelzen kann durch Laserstrahl, Elektronenstrahl, Plasma oder Lichtbogen erfolgen. Die Zuführung des Einbringmaterials erfolgt also beispielsweise als Band, Draht, Stabmaterial oder Pulver vor oder während des Aufschmelzens, wobei die Energieeinbringung zum Umschmelzen beispielsweise durch ein aus der Schweißtechnik bekanntes Verfahren erfolgen kann, beispielsweise Laserstrahl, Elektronenstrahl, Plasma oder Lichtbogen. In particular, the introduction material can be supplied as a belt, wire, rod or powder and the remelting can be effected by laser beam, electron beam, plasma or electric arc. The supply of the introduction material thus takes place, for example, as a strip, wire, rod material or powder before or during melting, wherein the energy input for remelting can be done for example by a known from welding technique, for example laser beam, electron beam, plasma or arc.
Weiterhin kann die Komponente derart ausgebildet sein, dass das Einbringmaterial so gewählt ist, dass der Stegbereich durch das Umschmelzen zumindest teilweise porös ausgebildet wird.Furthermore, the component can be designed such that the introduction material is selected so that the web region is formed by the remelting at least partially porous.
Der zumindest teilweise porös ausgebildete Stegbereich kann einen im Vergleich zum übrigen Trägerkörper hohen relativen magnetischen Widerstand aufweisen.The web region which is at least partially porous may have a high relative magnetic resistance compared to the rest of the carrier body.
Für Sonderlösungen kann durch den Schmelzvorgang gleichzeitig eine mechanische Verbindung einzelner Elemente des flussleitenden Materials des Trägerkörpers erreicht werden. Besonders vorteilhaft kann das Umschmelzen eingesetzt werden, wenn gleichzeitig zur magnetischen Trennung auch eine mechanische Verbindung von Einzelblechen realisiert werden soll. Durch das Schweißen in Achsrichtung können ansonsten üblicherweise eingesetzte Techniken, wie beispielsweise Stanzpakettierpunkte entfallen. Durch ein Verstiften der Bleche mit dem Einbringmaterial vor dem Schweißprozess kann gleichzeitig eine Ausrichtung, Paketierung und – durch das anschließende Umschmelzen – eine magnetische Trennung erfolgen. For special solutions can be achieved by the melting process at the same time a mechanical connection of individual elements of the flux-conducting material of the carrier body. The remelting can be used particularly advantageously if, at the same time as the magnetic separation, a mechanical connection of individual sheets is also to be realized. By welding in the axial direction otherwise commonly used techniques, such as punching parceling points can be omitted. By pinning the sheets with the introduction material before the welding process, an alignment, packaging and - by the subsequent remelting - a magnetic separation can take place simultaneously.
Insbesondere können Rotorbleche, gemeinsam mit einer Kupferwicklung oder einer Aluminiumwicklung zur Erzeugung einer Zone mit stark reduzierter magnetischer Permeabilität ohne die Notwendigkeit eines Einbringmaterials bereitgestellt sein. In particular, rotor laminations may be provided along with a copper coil or aluminum coil to create a zone of greatly reduced magnetic permeability without the need for a seed material.
Um die Mischung im Gefüge und die Reproduzierbarkeit des im Vergleich zum übrigen Trägerkörper hohen relativen magnetischen Widerstandes zu fördern, werden Prozessparameter, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit, Bestrahlungswinkel und Anzahl der verwendeten Laserstrahlen optimiert. In order to promote the mixture in the structure and the reproducibility of the relative relative to the rest of the carrier high relative magnetic resistance, process parameters such as feed rate, irradiation angle and number of laser beams used are optimized.
Weiterhin kann die Komponente derart ausgebildet sein, dass der Leiterabschnitt mit einer Beschichtung versehen ist, die eine Siedetemperatur aufweist, die niedriger ist als eine Schmelztemperatur des den Trägerkörper bildenden Materials. Diese Konfiguration kann wie folgt eine magnetische Permeabilität von magnetisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Elektroblech, verringern. Furthermore, the component can be designed such that the conductor section is provided with a coating which has a boiling temperature which is lower than a melting temperature of the material forming the carrier body. This configuration can reduce magnetic permeability of magnetically conductive material such as electric sheet as follows.
Der Siedepunkt von beispielsweise Zink liegt bei 907 °C. Es ist bekannt, dass beim Schmelzschweißen von verzinkten Stahlbauteilen mit einer starken Bildung von Auswürfen und Spritzern zu rechnen ist. Daher können die Leiterabschnitte
Ein Aufschmelzen des Materials des Trägerkörpers, also beispielsweise des Elektroblechmaterials, gemeinsam mit dem Aufschmelzen des verzinkten Leiterabschnitts durch einen beliebig wählbaren Schmelzschweißprozess, kann aufgrund der Zinkschicht zu ausgeprägten Auswürfen und Poren in dem Stegbereich
Dieser Effekt der starken Bildung von Auswürfen und Poren kann auch durch andere Beschichtungsarten, Wärmebehandlungen, beispielsweise Nitrieren des Stromleiters, oder beispielsweise auch durch die Verwendung von alternativen Stromleitern aus Aluminiumguss erreicht werden. This effect of high ejection and pore formation can also be achieved by other types of coatings, heat treatments, such as nitriding the conductor, or, for example, by using alternative cast aluminum conductors.
Weiterhin kann die Komponente der elektrischen Maschine derart ausgebildet sein, dass am Trägerkörper, nahe des Leiterabschnittes
Dieser Effekt kann wie folgt zur Herstellung eines Bereiches mit reduziertem magnetischem Fluss genutzt werden: Durch eine mechanisch-steife Auslegung des Elektroblechmaterials, vorzugsweise in Form einer Einkerbung im Elektroblech, können reproduzierbare Risse im Schweißbereich hergestellt werden. Bei einem Umschmelzen einer derartigen Stelle, beispielsweise durch einen Laserstrahl, kann es zu hohen Eigenspannungen in dem Stegbereich kommen. Die Folge sind dann reproduzierbare Rissbildungen. Dadurch wird lokal der magnetische Fluss getrennt und somit die erwünschte lokale Verringerung der magnetischen Permeabilität erreicht. This effect can be exploited as follows to produce a region with reduced magnetic flux: By means of a mechanically rigid design of the electrical sheet material, preferably in the form of a notch in the electrical sheet, reproducible cracks in the weld region can be produced. During a remelting of such a point, for example by a laser beam, high residual stresses can occur in the web region. The result is reproducible cracking. This locally separates the magnetic flux and thus achieves the desired local reduction in magnetic permeability.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Komponente geschaffen, wobei die Komponente insbesondere als ein Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet ist.According to a further aspect, an electrical machine with the above component is provided, wherein the component is designed in particular as a rotor of the electric machine.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer Komponente für eine elektrische Maschine mit den folgenden Schritten geschaffen: Bereitstellen eines Trägerkörpers, in den mindestens ein Leiterabschnitt eingebettet ist; Erhöhen eines relativen magnetischen Widerstandes eines zwischen dem Leiterabschnitt und einer Oberfläche des Trägerkörpers angeordneten Stegbereichs.In yet another aspect, there is provided a method of manufacturing a component for an electric machine comprising the steps of: providing a support body having at least one conductor portion embedded therein; Increasing a relative magnetic resistance of a land portion disposed between the conductor portion and a surface of the support body.
Eine Idee dieses Verfahrens ist, eine Leistungssteigerung einer elektrischen Maschine durch gezielte und feinjustierte Leitung des magnetischen Flusses zu schaffen. One idea of this method is to increase the performance of an electric machine by targeted and fine-tuned conduction of the magnetic flux.
Es kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen des relativen magnetischen Widerstandes dadurch durchgeführt wird, dass das Material des Stegbereichs so verändert wird, dass dieses zumindest teilweise porös wird.It can be provided that the increase of the relative magnetic resistance is carried out by changing the material of the land area so that it becomes at least partially porous.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Ändern des relativen magnetischen Widerstands durch örtliches Aufbringen eines Einbringmaterials auf die Oberfläche auf dem Trägerkörper nahe des Leiterabschnitts und anschließendes örtliches Umschmelzen erzielt werden.According to one embodiment, changing the relative magnetic resistance by local application of a deposition material to the surface on the carrier body near the conductor portion and subsequent local remelting can be achieved.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen des relativen magnetischen Widerstandes durch die Schritte durchgeführt wird:
- – Bereitstellen einer Beschichtung mit einem Einbringmaterial, insbesondere Zink, auf dem Leiterabschnitt, wobei das Einbringmaterial eine Siedetemperatur aufweist, welche niedriger als eine Schmelztemperatur des Materials des Trägerkörpers ist, und
- – anschließendes örtliches Aufschmelzen des Leiterabschnitts mit einer Temperatur über der Siedetemperatur des Einbringmaterials und unter der Schmelztemperatur des Materials des Trägerkörpers, so dass zumindest im Stegbereich eine Zone verringerter magnetischer Permeabilität ausgebildet wird.
- - Providing a coating with a Einbringmaterial, in particular zinc, on the conductor portion, wherein the introduction material has a boiling temperature which is lower than a melting temperature of the material of the carrier body, and
- - Subsequent local melting of the conductor portion having a temperature above the boiling temperature of the Einbringmaterials and below the melting temperature of the material of the carrier body, so that at least in the web area a zone of reduced magnetic permeability is formed.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Erhöhen des relativen magnetischen Widerstands durch Bilden einer Einkerbung an der Oberfläche des Stegbereichs nahe des Leiterabschnitts, und anschließendes örtliches Schmelzschweißen an der Einkerbung erzielt werden.According to one embodiment, increasing the relative magnetic resistance may be achieved by forming a notch on the surface of the land area near the conductor portion, and then locally fusing at the notch.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Zwischen den Leiterabschnitten
Der Rotorträgerkörper
Der Stator
Die
In
Der Stegbereich
Die Veränderung des Materials des Stegbereichs
Die
Wird der Stegbereich
Beim Schmelzschweißen von verzinkten Stahlbauteilen kann es zu einer Bildung von Auswürfen und Spritzern kommen. Wenn die Leiterabschnitte beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet sind, können diese vor dem Einbau in die Komponente der elektrischen Maschine, insbesondere den Rotor einer Asynchronmaschine, mit Zink beschichtet werden. Ein Aufschmelzen des Materials des Stegbereichs
Auf diese Weise kann die feldlinienverdrängende Wirkung in Entsprechung zu den
Die
Es ist bekannt, dass bei einem derartigen Schmelzschweißen unterschiedlicher Metalle miteinander zu einer Bildung von sehr spröden intermetallischen Phasen kommen kann. It is known that such a fusion welding of different metals together can lead to the formation of very brittle intermetallic phases.
Durch das Schmelzschweißen der beiden genannten Materialien, also Kupfer mit einem Eisenwerkstoff oder Aluminium mit einem Eisenwerkstoff, an der Stelle der Einkerbung
Weiterhin kann vorgesehen sein, bei Verwendung eines beschichteten Leiterabschnitts, zusätzlich ein Einbringmaterial von außen aufzubringen. Es kann ferner vorgesehen sein, bei Verwendung mit einer Beschichtung versehenen Leiterabschnitts zusätzlich eine Einkerbung vorzusehen und diese dann aufzuschmelzen. Schließlich kann eine Kombination aller drei Varianten vorgesehen sein. Furthermore, it can be provided, when using a coated conductor portion, additionally apply a Einbringmaterial from the outside. It can also be provided, in addition to provide a notch when using provided with a coating conductor section and then melt them. Finally, a combination of all three variants can be provided.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 90/04281 [0009] WO 90/04281 [0009]
- DE 102010021470 A1 [0010] DE 102010021470 A1 [0010]
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2013
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