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Die Erfindung betrifft eine Rotor-Stator-Anordnung für eine hybriderregte Synchronmaschine sowie einen Rotor dafür.
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Aus dem Stand der Technik sind umrichterbetriebene Elektromotoren, wie z. B. Synchronmaschinen bekannt, die für elektrische Antriebssysteme genutzt werden. Sie sind aus einem Rotor und einem Stator aufgebaut, wobei der Stator als ortsfestes Bauteil in der Regel hohlzylindrisch geformt ist. Der Rotor ist in der Regel innerhalb des Stators angeordnet und rotiert mit einer hohen Geschwindigkeit. Es sind aber auch andere Bauarten bekannt, in denen der Rotor bspw. axial zum Stator bewegt wird.
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Synchronmaschinen haben typischerweise vier Betriebsmodi oder Arbeitsbereiche – Motor/vorwärts, Motor/rückwärts, Generator/vorwärts und Generator/rückwärts – in denen Parameter wie Drehmoment bzw. Leistung über der Drehzahl die gleiche Charakteristik aufweisen, d. h. der Betrag des maximal erreichbaren Drehmoments in Abhängigkeit des Betrags der Drehzahl ist unter Vernachlässigung von Verlusten in allen vier Quadranten stets gleich. (Dierk Schröder, „Elektrische Antriebe – Grundlagen", 4. Auflage aus 2009, ISBN 978-3-642-02989-9). Dieses gleichförmige Verhalten in allen vier Arbeitsbereichen resultiert aus der magnetischen Symmetrie der Rotoren. Ein Rotor, egal ob fremderregt oder durch Permanentmagnete erregt, ist magnetisch und in der Regel auch geometrisch spiegelsymmetrisch zu einer radialen Achse des Rotors.
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So ist in
EP 2 451 049 A1 eine Rotoranordnung mit „vergrabenen“ Magneten für eine symmetrische Maschine offenbart. Es ist ein Rotorblechpaket vorgesehen, das verschiedene Orientierungsöffnungen aufweist, in die Magnete eingesetzt sind. In Längsrichtung des Rotors können die Bleche zueinander verdreht bzw. winkelversetzt angeordnet sein.
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Die
US 2013/0162094 A1 zeigt eine hybride Rotorerregung (in Bezug auf Spulen und Magnete). Es ist ein Rotor mit Feldspulen und Permanentmagneten beschrieben, wobei die Magnete in ersten Ausnehmungen und die Feldspulen in zweiten Ausnehmungen angeordnet sind. Die Magnete sind dabei radial fluchtend mit einer mittleren Achse, die durch die zweiten Ausnehmungen definiert wird. In den Polschuhen des Rotors sind weitere Ausnehmungen vorgesehen, die den magnetischen Körper des Rotors formen. Hiermit wird eine magnetisch symmetrische Maschine erzeugt.
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Der Vorteil, dass alle Arbeitsbereiche gleiche Charakteristiken zeigen, kann zum Nachteil gereichen, wenn die Maschine verbessert werden soll, da dann stets eine implizite Verbesserung aller vier Arbeitsbereiche vorgenommen wird. Wenn aber nur in einem Arbeitsbereich Leistung erforderlich ist, kann es ausreichen, dort die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Es könnte von Vorteil sein, das System gezielt magnetisch asymmetrisch auszubilden; d. h. ein Ungleichgewicht herzustellen, um die Performanz in einem gewünschten Hauptarbeitsbereich zu verbessern, wodurch gleichzeitig in einem Nebenarbeitsbereich, der in der Anwendung nicht genutzt werden soll, die Leistungsfähigkeit herabgesetzt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind derartige magnetisch asymmetrische Rotor-Stator-Anordnungen bekannt, wobei auf einer Rotorwelle innerhalb eines Stators zwei Rotoren unterschiedlich platziert werden können. Dabei handelt es sich meist um ein Reluktanzteil und ein Permanentmagnetteil, die um beliebige Winkel zueinander verdreht sein können.
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Die
US 6,548,931 B2 beschreibt einen Rotor, der erste und zweite Polstücke sowie eine Feldwicklung aufweist. Die Polstücke haben Polfinger, die sich axial entlang einer Längsachse des Rotors erstrecken und die mit der Feldwicklung gekoppelt sind. Zwischen den ersten und den zweiten Polstücken sind eine Vielzahl an Permanentmagneten angeordnet, die trapezoid geformt sind und in zwei Gruppen geordnet sind. Die Magnete sind so zwischen den Polstücken angeordnet, dass sich die Nord- und Südpole jeweils abwechseln. Damit wird eine magnetische Asymmetrie erzeugt, da die Positionen der Nord- und Südpole der Magnete und der Erregerspulen voneinander verschoben sind.
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Ferner müssen die Permanentmagnete in einer speziellen, trapezoiden Form vorliegen, wodurch die Konstruktion aufwändig ist.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Motoren mit magnetischer Asymmetrie haben dabei eine Vorzugsrichtung im Sinne der Drehmomenterzeugung, d. h. je nach Auslegung kann der Rotor in eine Umfangsrichtung eine größere Kraft erzeugen. Dies ist unabhängig von der Drehrichtung. In der Praxis weisen Motoren mit magnetisch asymmetrischem Rotor daher zwei Betriebsbereiche hoher und zwei Betriebsbereiche niedriger Leistungsfähigkeit auf.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Rotor für eine hybriderregte Synchronmaschine bereitzustellen, der die Vorteile der leistungssteigernden magnetischen Asymmetrie ausnutzt, aber gleichzeitig in allen vier Betriebsbereichen eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe, eine Rotor-Stator-Anordnung für eine hybriderregte Synchronmaschine zu schaffen, die magnetisch asymmetrisch ist und in einem Arbeitsbereich verbesserte Leistung zeigt, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen des Rotors und der Rotor-Stator-Anordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Rotor für eine hybriderregte Synchronmaschine. Der Rotor hat ein Innenteil, das entlang seines Umfangs bzw. seiner Umfangsrichtung alternierend Polstutzen und Ausnehmungen aufweist, wobei in jede Ausnehmung eine oder mehrere Erregerwicklung(en) eingesetzt ist/sind. Erfindungsgemäß ist ein Außenteil in der Ausnehmung angeordnet, das ein separates Bauteil ist. Dabei begrenzt das Außenteil den Rotor radial nach außen und bildet in Umfangsrichtung zu den Innenwandungen der jeweiligen Ausnehmung des Innenteils eine oder mehrere Spalte(n), in dem ein oder mehrere Permanentmagnet(e) gehalten ist/sind. Der/die Spalt/e ist/sind nicht radial symmetrisch zu der Erregerwicklung angeordnet, d. h. sie liegen radial nicht entlang einer gemeinsamen Achse.
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„Radial nicht symmetrisch“ im Sinne der Erfindung heißt daher, dass die Spalte auf einer radialen Achse liegen, die nicht mit der radialen Achse übereinstimmt, die durch die Anordnung der Erregerwicklung definiert ist.
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„Hybrid erregt“ im Sinne der Erfindung heißt, dass eine Rotorerregung sowohl durch Permanentmagnete als auch durch Anregen der Erregerwicklung erfolgt. Das Magnetfeld, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, und das Magnetfeld, das durch die Erregerwicklung erzeugt wird, überlagern sich und bilden ein definiertes Gesamtmagnetfeld.
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Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete im Sinne der Erfindung ist tangential zum Rotorumfang. Dabei sind die Permanentmagnete so orientiert, dass jedes zweite Außenteil nur die Nordpole der angrenzenden Magnete berührt und die dazwischenliegenden Außenteile nur die Südpole. Auf der Rotoroberfläche entstehen dadurch in Umfangsrichtung auf den Außenseiten der Außenteile abwechselnd durch die Permanentmagnete hervorgerufene Nord- und Südpole.
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Durch die bestromte Erregerwicklung entstehen auf den Außenseiten der Polstutzen des Innenteils ebenfalls abwechselnd Nord- und Südpole. Um mit der Erregerwicklung abwechselnde Nord- und Südpole auf den Außenseiten der Polstutzen zu erzeugen, muss sich die Orientierung der Spulenseiten in aufeinanderfolgenden Ausnehmungen umkehren. Dies entspricht dem Stand der Technik für Schenkelpol-Synchronmaschinen. Im Sinne der Erfindung liegen die durch die Permanentmagnete und die durch die Erregerwicklung erzeugten Nordpole nicht übereinander.
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Dadurch, dass das Gesamtmagnetfeld des Rotors nicht-radial symmetrisch zu einer geometrischen radialen symmetrischen Achse, liegt, entsteht eine magnetische Asymmetrie, wodurch eine Vorzugsdreh- oder -arbeitsrichtung gewählt werden kann.
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Wird die Richtung des Stromes in der Erregerwicklung durch entsprechende Elektronik umgekehrt, ändert sich die Polarität der durch die Erregerwicklung erzeugten Nord- und Südpole auf den Außenseiten der Polstutzen des Innenteils, d. h. aus den Nordpolen werden Südpole und umgekehrt. Das aus der Überlagerung von Permanentmagnetfeld und Erregerwicklungsmagnetfeld resultierende Gesamtmagnetfeld ist nun an der geometrischen Achse des Rotors gespiegelt. Dadurch dreht sich die Asymmetrie um, wodurch sich die Wirkungsrichtung umkehrt, in die die Maschine das größte Drehmoment erreichen kann. Durch diese Geometrie und diesen Eingriff kann eine magnetisch asymmetrische Maschine in allen vier Betriebsbereichen mit optimaler Leistungsfähigkeit betrieben werden.
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Ein solcher Rotor kann bevorzugt für Elektromotoren verwendet werden, so bspw. in der Elektromobilität, z. B. für Kraftfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge, oder in der industriellen Antriebstechnik, wie Pumpen, Lüfter, Servomotoren oder auch Förderantriebe. Ferner kann der Rotor auch für Elektrogeneratoren bspw. in der Windkraft Verwendung finden. Die genannten Möglichkeiten sind dabei nur beispielhaft.
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Das Außenteil ist bevorzugt zentral zwischen den Polstutzen eingesetzt, die auch gleichzeitig die durch die Erregerwicklung erzeugten Rotorpole bilden. Die tatsächlich resultierenden Rotorpole sind durch den Einsatz der Permanentmagnete verschoben. Jedes Außenteil ist aus einem magnetisch leitfähigen Material und leitet den Fluss der angrenzenden Magnete an den Luftspalt weiter. Die Magnete dienen hierbei auch dazu, die Sättigung der Rotorschenkel im Vergleich zu herkömmlichen Schenkelpolmaschinen zu reduzieren, indem ein Teil des Rotorflusses in Luftspaltnähe von einem der Magnete im Prinzip „abgesaugt“ und den Magnetpolen zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Größe und Stärke der Magnete hängt daher von der Anwendung ab. Es kann mit allen handelsüblichen Magneten gearbeitet werden, bspw. Lithium-Eisen-Bor-, Samarium-Kobalt-, Aluminium-Nickel-Kobalt- oder Ferritmagneten; es kommt hier je nur darauf an, in welchem Bereich die Erfindung genutzt werden soll. Alternativ kann in einem Spalt ein Magnet einer ersten Stärke bzw. Größe und in dem jeweils zweiten Spalt ein Magnet anderer Stärke bzw. Größe eingesetzt sein. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung von nur gleich starken Magneten oder gleichen Größen von Magneten. Die magnetische Asymmetrie kann hierdurch entsprechend verstärkt oder an die jeweilige Verwendung angepasst werden, wodurch hinsichtlich Kosten und Anwendungsgebiet die Maschine optimiert werden kann.
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Die Permanentmagnete können in den Spalten derart angeordnet sein, dass ein durch sie erzeugtes Magnetfeld um einen bestimmten Winkel in einem Bereich von 75° bis 100°, bevorzugt um 90°, zu einem durch die Erregerwicklung erzeugten Magnetfeld elektrisch verschoben ist, so dass ein magnetisch asymmetrisches Gesamtmagnetfeld erzeugt werden kann. Die Permanentmagnete können in ihrer Polarität (Anordnung Nord-/Südpole) so im Rotor arrangiert und ausgerichtet sein, dass sie mit den Nord- bzw. Südpolen des Magnetfelds, das durch die Erregerwicklung erzeugt wird, überlagern und ein gemeinsames Magnetfeld bilden, dessen Feldliniencharakteristik ein asymmetrisches Bild ergibt. Die Magnete müssen dabei nicht unbedingt radial ausgerichtet sein, sondern können auch in einem gewissen Anstellwinkel in Bezug zu ihrer radialen Achse in dem Innenteil des Rotors vorliegen. Für die magnetische Asymmetrie ist im Wesentlichen nur das Verhältnis aus permanentmagnetisch erzeugtem und durch die Erregerwicklung erzeugtem Magnetfluss entscheidend.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in jede Ausnehmung ein magnetisch nichtleitender Steg eingesetzt sein, wobei jeder Steg an seiner radial nach außen weisenden Außenseite mit dem Außenteil form- oder kraftschlüssig verbunden ist. Das Außenteil kann so sicher gehalten werden. Alternativ kann das Außenteil mittels axialer Verbindungselemente oder durch eine Rotorbandage mit den weiteren Komponenten des Rotors, insbesondere des Innenteils befestigt sein. Axiale Verbindungselemente können dabei Schrauben, Bolzen, Nieten oder andere ähnliche Elemente sein. Dadurch, dass das Außenteil ein separates Bauteil ist, muss es in einer geeigneten Weise an den restlichen Komponenten des Rotors befestigt werden, wobei die Befestigung gemäß einer der vorgenannten Varianten erfolgen kann. Diese können für sich allein genutzt werden oder miteinander kombiniert eingesetzt werden.
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In jede Ausnehmung in einem Zwischenraum zwischen Erregerwicklung und Außenteil kann ein magnetisch nichtleitendes Füllmaterial angeordnet sein. Damit kann die Erregerwicklung isoliert oder fest in der Nut gehalten werden.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass das Innenteil und jedes Außenteil an ihren zum Spalt zugewandten Seiten Haltenasen aufweisen, die den Spalt zum Umfang des Rotors hin verjüngen. Diese Haltenasen können auch als Ring, Kragen oder Stifte ausgebildet sein. Auch kann sich der Spalt an dieser Stelle einfach verjüngen. Damit kann effektiv verhindert werden, dass die Permanentmagnete oder Abstandshalter aufgrund der Fliehkraft aus den Spalten gerissen werden, sobald der Rotor sich in Bewegung setzt.
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Ferner kann die Position der Magnete verschiedener Pole in Umfangsrichtung in der Größenordnung einer Statornutteilung variiert werden, wodurch sich unterschiedlich breite Außenteile ergeben. Dadurch kann die parasitäre Drehmomentwelligkeit reduziert werden und ein homogenerer Drehmomentverlauf erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann jeder Polstutzen einen Polschuh aufweisen, der den Steg in der Ausnehmung hält bzw. an den sich der Steg in der Ausnehmung abstützt. Der Polschuh oder auch Rotorpolkopf dient daneben dazu, das Magnetfeld, das durch die Erregerspule erzeugt wird, besser zu verteilen. Das Innenteil ist damit optisch stark an klassische Schenkelpolläufer orientiert. Ferner dienen die Polschuhe zur Befestigung der Erregerspule.
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Die Stege können sich in einer Ausführungsform der Erfindung an den Rotorpolköpfen bzw. an überkragenden Polschuhen abstützen, um der Fliehkraft zu widerstehen. Sie können bspw. mittels Schwalbenschwanzverbindungen oder einfachen Nut-Feder-Verbindungen und entsprechenden Verbindungselementen mit den Außenteilen verbunden werden. Damit können die Außenteile fest in der Ausnehmung gehalten werden. Auch können Abstandshalter vorgesehen sein, die aus dem gleichen Material wie die Stege bestehen. Die Stege sind aus magnetisch nichtleitendem Material, wie z. B. Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff.
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Der Rotor hat eine zentrale Rotorwelle, über die der Rotor angetrieben werden kann oder selbst als Antriebswelle fungieren kann. Damit ein gleichförmiger Betriebsmodus möglich ist, kann der Rotor beliebig geradzahlig polig sein. Der Rotor bzw. das Innenteil kann je nach Anwendung vier- bis achtpolig, insbesondere sechspolig ausgestaltet sein. Bei sechspoligem Rotor entstehen insgesamt drei Nord-/Süd-Polaritäten, wobei drei Nord-/Süd-Polaritäten des Magnetfelds, das durch die entsprechenden drei Erregerwicklungen erzeugt wird, und die drei Nord-/Süd-Polaritäten des Magnetfelds, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, einander überlagern. Es sind aber auch hochpolige Rotoren mit mehr als zwanzig Polen denkbar, bspw. für Kraftwerksgeneratoren.
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Eine erfindungsgemäße Rotor-Stator-Anordnung für eine hybriderregte Synchronmaschine weist einen Stator auf, der den Rotor vollumfänglich umfasst. Der Rotor ist ein vorbeschriebener Rotor mit zueinander magnetisch asymmetrisch angeordneter Erregerspule und Permanentmagneten.
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Die Erregerwicklungen können wie bei klassischen, fremderregten Synchronmaschinen um die Polstutzen gewickelt sein. Die Wicklungen können mittels der Stege radial nach außen weisend niedergehalten werden und somit während der Rotation des Rotors ortsfest bleiben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zwischen Rotor und Stator ein Luftspalt vorliegen. Für Maschinen kleiner und mittlerer Leistung kann dieser üblicherweise bei ca. 1mm liegen; bei Hochleistungsmaschinen (Kraftwerksgeneratoren) kann der Spalt aber durchaus mehrere Zentimeter betragen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Stator ein ringzylinderförmiges Statorbauteil aufweist, das innenwandig Nuten aufweist, in die Drehfeldwicklungen aufgenommen sind. In diesen wird bspw. Spannung induziert, wenn die Rotor-Stator-Anordnung in einem Generator oder auch einem Motor verwendet wird. Die Drehfeldwicklungen sind dabei elektrisch mehrphasig ausgeführt, wobei von herkömmlichen Maschinen bekannte Wicklungsarten verwendet werden können, wie z. B. dreiphasig mit verteilter Wicklung. Andere Wicklungstypen mit anderen Phasenzahlen können auch vorgesehen werden.
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Die Komponenten der Rotor-Stator-Anordnung erstrecken sich je nach Anwendung in einer bestimmten Abmessung in axialer Richtung, wobei bevorzugt die Abmessungen in axialer Richtung größer sind als in radialer Richtung. Neben einem Radialflussdesign mit dem Rotor als Innenläufer sind auch Konstruktionen mit Außenläufer oder Axialflussausführung mit Innen- oder Außenläufer möglich.
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Durch die magnetische Asymmetrie des Rotors kann eine Maschine mit einem oder zwei bevorzugten Arbeitsbereich(en) oder auch Arbeitsquadranten erzeugt werden, z. B. motorisch-vorwärts. Parametrisch gesehen kann dadurch ein weiterer Freiheitsgrad gewonnen werden. In der Gleichung zur Berechnung des Rotorfeldes findet der Verschiebungswinkel zwischen dem resultierenden Rotorfeld und der geometrischen Symmetrieachse des Rotorinnenteils Eingang, der somit als neuer Parameter gilt und als neuer Freiheitsgrad genutzt werden kann. Vorteilhaft ist, dass eine magnetisch asymmetrisch ausgeführte Maschine in den Bereichen Materialeinsatz oder allgemeiner Performanz verbessert werden kann. So kann in manchen Abschnitten weniger Material oder ein günstigeres Material verwendet werden.
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Vorteilhaft kann ein Rotor in Schenkelpolbauweise eingesetzt werden, in dessen Nuten die Erregerwicklungen sitzen. Die Bestromung der Rotorwicklung kann über Schleifringe oder einen bürstenlosen rotierenden Übertrager mit entsprechender Elektronik realisiert werden, wobei erfindungsgemäß beide Polaritäten des Stroms möglich sein müssen. Die Erregerwicklung füllt dabei die Nuten nicht komplett aus, wobei der luftspaltnahe Teil der Nuten zur Erzeugung der magnetischen Unsymmetrie durch Hybriderregung genutzt werden kann, in dem die Permanentmagnete in der erfindungsgemäßen Weise angemeldet sind. Die jeweils zu einem Schenkelpol gehörenden Magnete sind gleichsam in Uhrzeigersinn oder entsprechend entgegen magnetisiert. Die Magnetisierungsrichtung ist für aufeinanderfolgende Magnetpaare abwechselnd. Durch eine variable Bestromung der Erregerwicklung kann das Rotorfeld in seiner Stärke so verändert werden, dass Wirkungsgrad und Feldschwächbarkeit optimal gegeben sind. Ferner lässt sich die magnetische Asymmetrie der Maschine zur Erhöhung der allgemeinen Performanz nutzen. Auch ist es möglich, in beide Wirkrichtungen ein im Betrag gleich großes Drehmoment zu erzeugen bei betraglich konstantem Erregerstrom. Hierzu kann einfach das Vorzeichen des Erregerstromes umgekehrt und damit die Polarität der durch die Erregerwicklung erzeugten Pole umgekehrt werden. Die durch die Permanentmagnete erzeugten Pole bleiben erhalten. Die magnetische Asymmetrie kehrt sich ebenfalls um, d. h. der Verschiebungswinkel ändert sein Vorzeichen. Bei mechanisch symmetrischer Ausführung des Rotors sind nun die elektromagnetischen Zusammenhänge gespiegelt. Die Maschine kann bei umgekehrter Drehmomentrichtung (generatorischer Bereich) die magnetische Asymmetrie gewinnbringend ausnutzen.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Anordnung, und
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2 eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Rotor-Stator-Anordnung, und
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3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Rotor-Stator-Anordnung.
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Die 1 zeigt eine zylindrische Rotor-Stator-Anordnung 1 im Querschnitt mit einem Rotor 2 und einem Stator 10, wobei der Rotor 2 radial mittig innerhalb des Stators 10 angeordnet ist.
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Der Rotor 2 weist ein Innenteil 3 auf, das eine radial mittig angeordnete Rotorwelle 14 umfasst. Radial nach außen ragen sechs Polstutzen 6, die in Polschuhen 6a münden, die ihrerseits entlang des Umfangs des Rotors 2 auskragen. Zwischen den Polstutzen 6 sind Ausnehmungen 5 vorgesehen, deren Anzahl der Anzahl an Polstutzen 6 entspricht. In den Ausnehmungen 5 liegen Erregerwicklungen 7, die um jeden Polstutzen 6 gewickelt sind. Dabei kehrt sich der Wicklungssinn der aufeinanderfolgenden, einen Polstutzen 6 umfassenden Erregerwicklungen 7 um, wie an den Zeichen für den Stromfluss (in die Blattebene hinein- bzw. aus der Blattebene hinausführend) dargestellt ist. Je nach Wicklungsrichtung kann sich ein Magnetfeld mit entsprechender Polarität an den Polstutzen 6 ausbilden.
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Die Erregerwicklungen 7 werden in jeder Ausnehmung 5 von einem Steg 8 niedergehalten, der sich an den Polstutzen 6 und den auskragenden Polschuhe 6a abstützt. Der Steg 8 ist aus einem magnetisch nichtleitenden Material (bspw. Kunststoff, Aluminium oder Edelstahl) und weist an seiner nach radial außen weisenden Außenseite 8a ein Verbindungselement 8b auf, das schwalbenschwanzförmig ist. Daran formschlüssig befestigt ist ein Außenteil 4, das eine zum Verbindungselement 8b korrespondierende Nut aufweist und das in axialer Richtung auf den Steg 8 aufgeschoben werden kann und so die Verbindungselemente 8b mit dem Außenteil 4 in Eingriff gelangen.
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Das Außenteil 4 ist so bemessen, dass entlang des Umfangs des Rotors 2 und den Polschuhen 6a zu jeder Seite ein Spalt 9 gebildet wird. In diesem Spalt 9 ist in 1 jeweils ein Permanentmagnet 11 eingesetzt.
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Damit die Permanentmagneten 11 nicht aus den Spalten 9 aufgrund der Fliehkraft während des Betriebs herausgeschleudert werden können, weist jeder Spalt 9 an dessen zur Mantelfläche des Rotors 2 weisenden Abschnitt Haltenasen 13 auf. Diese Haltenasen 13 können auch als Ring, Kragen oder Stifte ausgebildet sein. Auch kann sich der Spalt 9 an dieser Stelle einfach verjüngen.
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Rotor 2 und Stator 10 berühren sich einander nicht, sondern sind durch einen Luftspalt 15 voneinander getrennt, dessen Abmessung derart gewählt ist, dass auch bei Erhitzung der Bauteile und dementsprechender thermischer Ausdehnung eine uneingeschränkte Bewegung der Komponenten zueinander möglich ist, auch in Bezug auf elektromagnetische Auslegung, Biegeschwingungen, Fertigungstoleranzen (Exzentrizitäten).
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Der Stator 10 ist ringzylindrisch ausgestaltet und erstreckt sich in axialer Richtung in einer Abmessung, die einer auf die Anwendung angepassten Konstruktion entspricht. Er besteht im Wesentlichen aus einem eisenhaltigen Statorbauteil oder auch Statorblechpaket 16, das entlang seiner Innenwandung Nuten 17 aufweist, in die eine Drehfeldwicklung 18 eingesetzt ist. Die Nuten 17 sind im Wesentlichen tropfenförmig und verjüngen sich zu dem Luftspalt 15 hin. Diese Verjüngung kommt daher, dass die Zähne parallelflankig ausgeführt sind, um eine konstante magnetische Flussdichte zum Statorjoch hin zu gewährleisten. In anderen Ausführungsformen können aber auch parallelflankige Nuten ausgebildet sein.
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Die Drehfeldwicklung 18 ist mehrphasig ausgeführt, d. h. dass in vorbestimmter Reihenfolge die elektrischen Phasen und ihre Orientierung den Nuten zugewiesen wird. In den abgebildeten Ausführungsformen könnte eine verteilte dreiphasige Wicklung mit einer Polpaarzahl von drei und einer Lochzahl von zwei ausgeführt werden. In anderen Ausführungsformen können mehrere aufeinanderfolgende Nuten aber auch mit derselben Phase belegt werden.
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In 2 ist das Außenteil 4 über axiale Verbindungselemente 12, wie z. B. Schrauben, Bolzen, Nieten oder dergleichen mit dem Rotor verbunden. Auch hier wird eine formschlüssige Sicherung des Außenteils 4 erreicht. Bevorzugt können Bolzen als Verbindungselemente 12 dienen, die axial durch den gesamten Rotor verlaufend in entsprechenden Bohrungen sitzen. An beiden Rotorstirnseiten sind sie mit einem wellenkonzentrischen Ring verschraubt, der jeweils seinerseits wieder über Bolzen mit dem Rotorzentralteil verschraubt ist (figurativ nicht dargestellt). Das Rotor-Zentralteil kann diese Ringe sichern, während die Ringe die Außenteile 4 sichern.
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3 zeigt eine alternative Art der Befestigung des Außenteils 4, wobei die funktionsrelevanten Rotorteile miteinander verklebt sind. Für eine darüber hinaus gehende Stabilität ist nach 3 eine Rotorbandage 20 vorgesehen, die um den Rotor 2 gewickelt ist, um hohe Umfangsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Als Kleber kann ein Harz vorgesehen sein und mit einer Bandage aus einer Glas- oder Kohlefaser kombiniert werden. Ebenfalls können Metallrohre auf die Rotormantelfläche aufgeschrumpft sein.
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Zwischen Wicklung 7 und Außenteil 4 kann unter Verwendung der Befestigungslösungen aus 2 und 3 ein Zwischenraum vorliegen, der teilweise bzw. vollständig mit einem magnetisch inaktiven bzw. nichtleitenden Füllmaterial 19 gefüllt ist. Das Füllmaterial 19 kann dabei Luft oder auch ein vergossenes Harz sein, Wicklung 7 und Außenteil 4 können daher in Kontakt zueinander stehen, wobei beide Komponenten nicht unbedingt voneinander isoliert werden müssen. Eine mögliche Isolierung kann durch ein dünnes Isolierband oder ein Isolationspapier erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor-Stator-Anordnung
- 2
- Rotor
- 3
- Innenteil
- 4
- Außenteil
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Polstutzen
- 6a
- Polschuh
- 7
- Erregerwicklung
- 8
- Steg
- 8a
- Außenseite Steg
- 8b
- Verbindungselement
- 9
- Spalt
- 10
- Stator
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- axiale Verbindungselemente
- 13
- Haltenasen
- 14
- Zentrale Rotorwelle
- 15
- Luftspalt
- 16
- Statorbauteil/Statorblechpaket
- 17
- Nut
- 18
- Drehfeldwicklung
- 19
- magnetisch nichtleitendes Füllmaterial
- 20
- Rotorbandage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2451049 A1 [0004]
- US 2013/0162094 A1 [0005]
- US 6548931 B2 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dierk Schröder, „Elektrische Antriebe – Grundlagen“, 4. Auflage aus 2009, ISBN 978-3-642-02989-9 [0003]
