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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine mit einem Paket von geschichteten, magnetisch aktiven Rotorblechen, deren Blechschnitt Führungsstege aus Metall und freie Zwischenräume hat. Die Führungsstege führen den magnetischen Fluss, wohingegen die freien Zwischenräume als Flusssperre für die Magnetfeldlinien wirken.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Elektromaschine mit einem derartigen Rotor. Eine solche Elektromaschine funktioniert insbesondere als Elektromotor, kann im Prinzip aber ebenso gut auch als Generator eingesetzt werden.
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Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den gegenseitigen Anziehungs- und Abstoßungskräften der Magnetfelder im Stator und Rotor. Üblicherweise liegt der Stator außen und ist drehfest in einem Gehäuse gelagert. Bei einer solchen Innenläufer-Elektromaschine trägt der Stator üblicherweise eine stromdurchflossene Wicklung, die ein Magnetfeld erzeugt. Auch im drehenden Rotor wird ein Magnetfeld aufgebaut, entweder in den Führungsstegen der Rotorbleche aufgrund der Erregung durch die Stator-Ströme und/oder durch in den freien Zwischenräumen vergrabene Permanentmagnete.
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Bei der geometrischen Gestaltung der Blechkontur der Rotorbleche besteht teilweise ein Zielkonflikt zwischen magnetischer und mechanischer Funktion. Der Blechschnitt muss eine zusammenhängende Fläche bilden, damit das Rotorblech nicht auseinanderfällt. Gleichzeitig sollen die Führungsstege aus Metall möglichst schmal und die freien Zwischenräume möglichst groß sein, um die magnetische Leitfähigkeit gering zu halten. Die metallenen Führungsstege müssen dabei so groß gewählt werden, dass die auftretenden mechanischen Kräfte, insbesondere Zentrifugalkräfte, aufgenommen werden, sodass sich der Rotor bei schneller Drehung nicht verformt oder gar beschädigt wird.
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Speziell in permanent-erregten Synchronmotoren oder magnetlosen Reluktanz-Synchronmotoren werden die als Flusssperre für die Magnetfeldlinien wirkenden Zwischenräume als Schlitze ausgebildet, die sich im Wesentlichen quer zur Richtung des magnetischen Hauptflusses erstrecken. Diese Schlitze können allerdings nicht beliebig groß, insbesondere nicht allzu breit ausgeführt werden, da die dazwischen verbleibenden Blechstege sonst die auftretenden Zentrifugalkräfte nicht mehr aufnehmen können. Man unterbricht deshalb die freien Zwischenräume bzw. Schlitze durch schmale Verbindungsstege, welche die metallenen Führungsstege verbinden und dadurch vor allem in radialer Richtung versteifen. Diese Verbindungsstege führen aber wiederum zu einem unerwünschten magnetischen Fluss, welcher durch die freien Zwischenräume bzw. Schlitze ja gerade unterbunden werden soll.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bei einem Rotor mit geschichteten, magnetisch aktiven Rotorblechen die magnetischen Kurzschlüsse in den Rotorblechen soweit wie möglich zu verhindern, gleichzeitig jedoch die mechanische Festigkeit der Rotorstruktur, insbesondere die Stabilität gegenüber Zentrifugalkräften, zu gewährleisten.
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Gelöst wird die Aufgabe durch zwischen den einzelnen Rotorblechen angeordnete Verbindungselemente zum Übertragen von radialen Schubkräften von einem Rotorblech auf das benachbarte Rotorblech. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungselemente versteifen die einzelnen Rotorbleche, sodass die Zentrifugalkräfte nicht oder jedenfalls nicht vollständig von den metallenen Führungsstegen eines einzelnen Rotorblechs aufgenommen, sondern auf mehrere nebeneinanderliegende Rotorbleche verteilt werden. Da die Verbindungselemente zwischen den einzelnen Rotorblechen angeordnet sind, können die freien Zwischenräume zwischen den Führungsstegen aus Metall freier und großzügiger gestaltet werden; insbesondere können sonst notwendige Verbindungsstege, welche die freien Zwischenräume unterbrechen, vermieden werden. Auf diese Weise wird die mechanische Festigkeit des Rotors signifikant erhöht, ohne zusätzliche magnetische Kurzschlüsse, welche die Leistung der Maschine mindern würden, in Kauf nehmen zu müssen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Verbindungselemente als einstückig mit den Rotorblechen ausgebildete Verbindungskörper und korrespondierende Aufnahmen ausgebildet, wobei sich die Verbindungskörper und Aufnahmen in axialer Richtung erstrecken und wobei die Verbindungskörper des einen Rotorblechs in die Aufnahmen des benachbarten Rotorblechs formschlüssig eingreifen. Erfindungsgemäß erstrecken sich die Verbindungskörper also senkrecht zur Blechebene der Rotorbleche und damit auch senkrecht zu den magnetischen Feldlinien im Rotorblech.
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Insbesondere können die Verbindungselemente als Erhöhungen an der einen Seite der Rotorbleche und korrespondierende Vertiefungen an den gegenüberliegenden anderen Seiten der Rotorbleche ausgebildet sein, vorzugsweise als in das Blech eingeprägte Sicken. Solche Erhöhungen und Vertiefungen bzw. Sicken lassen sich im Prägeverfahren einfach und kostensparend herstellen. Eine geringe axiale Erstreckung der Erhöhungen bzw. Vertiefungen reicht aus, um eine wirksame gegenseitige Abstützung der Rotorbleche zu erreichen.
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Speziell bei hocheffektiven Reluktanz-Elektromotoren möchte man die freien Zwischenräume zwischen den metallenen Führungsstegen möglichst lang und auch möglichst breit ausführen. Dadurch wächst die Gefahr einer unzureichenden mechanischen Festigkeit des Rotorblechs. Eine Anordnung der Verbindungselemente in der Nähe der Ränder der freien Zwischenräume hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um den Zielkonflikt zwischen möglichst wirksamen Flusssperren einerseits und mechanischer Festigkeit der Rotorbleche andererseits so gut wie möglich aufzulösen.
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Die erfindungsgemäßen Verbindungselemente erlauben sogar Blechschnitte mit schlitzförmigen Zwischenräumen, welche sich überwiegend in radialer Richtung erstrecken und erst mit dem peripheren Rand des Rotorblechs enden, sodass die Zwischenräume bzw. Schlitze in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator übergehen. Rotorbleche, bei denen das Blech unmittelbar am äußeren Rand durch Zwischenräume unterbrochen wird, würden ohne die axialen Verbindungselemente kaum höhere Zentrifugalkräfte aufnehmen können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors sind zusätzliche Stützbleche mit einem Blechschnitt ohne Zwischenräume zwischen die magnetisch aktiven Rotorbleche eingesetzt. Diese Stützbleche dienen zur Aufnahme der radialen Schubkräfte aus den angrenzenden Rotorblechen. Die mechanischen Kräfte, insbesondere Zentrifugalkräfte, werden von den metallischen Abschnitten der Rotorbleche über die Verbindungselemente auf die Stützbleche übertragen, sodass sich der Kraftfluss letztlich über die Stützbleche schließt. Die Stützbleche haben Aufnahmen für die Verbindungselemente.
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Bevorzugt sind die Stützbleche in regelmäßigen axialen Abständen zwischen den magnetisch aktiven Rotorblechen angeordnet. Als zweckmäßig hat sich die Zwischensetzung eines Stützblechs ungefähr nach jedem zehnten Rotorblech erwiesen.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe auch durch eine Elektromaschine, insbesondere Elektromotor, mit einem Stator, der in einem Gehäuse drehfest montiert ist, und mit einem Rotor, bei dem erfindungsgemäß zwischen den einzelnen Rotorblechen Verbindungselemente zum Übertragen von radialen Schubkräften von einem Rotorblech auf das benachbarte Rotorblech angeordnet sind. Besonders vorteilhaft zum Tragen kommen die erfindungsgemäßen Verbindungselemente bei einem permanent-erregten Elektromotor, bei dem in den freien Zwischenräumen der Rotorbleche Permanentmagnete sitzen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Elektromotor gemäß dem Stand der Technik, von vorne;
- 2 einen Ausschnitt des Elektromotors von 1, in größerem Maßstab;
- 3 ein Rotorblech eines Rotors gemäß der Erfindung, ausschnittsweise in einem Horizontalschnitt;
- 4 das Rotorblech von 3, in einem Stufenschnitt gemäß der Linie A;
- 5 ein Rotorblech eines zweiten Rotors gemäß der Erfindung, ausschnittsweise in einem Horizontalschnitt;
- 6 ein Rotorblech eines dritten Rotors gemäß der Erfindung, ausschnittsweise in einem Horizontalschnitt.
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Die 1 und 2 erläutern den Stand der Technik und dessen Nachteile.
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Der in 1 vereinfacht dargestellte Elektromotor hat ein zylindrisches Gehäuse 10, in dem ein Stator 20 drehfest eingebaut ist. Ein konzentrisch angeordneter Rotor 30 dreht sich im Innern des Stators 20. Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 30 ist ein kleiner Luftspalt 40.
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Die vergrößerte Darstellung in 2 zeigt einen Ausschnitt des Rotors 30. Der Rotor 30 besteht aus einem Paket aufeinandergestapelter Rotorbleche 50. Der Blechschnitt der Rotorbleche 50 hat Führungsstege 51 aus magnetisierbarem Metall und freie Zwischenräume 52 in Form von relativ schmalen Schlitzen, welche sich teilweise in näherungsweise radialer Richtung erstrecken, teilweise auch ungefähr quer zum Radius. Damit das Rotorblech 50 auch im Bereich der Zwischenräume nicht auseinanderfällt und mechanisch ausreichend stabil bleibt, sind die Zwischenräume 52 unterbrochen von dünnen Verbindungsstegen 53 aus Metall.
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Die metallenen Führungsstege 51 führen den magnetischen Fluss im Rotorblech 50. Die freien Zwischenräume 52 dienen als Flusssperre für die Magnetfeldlinien. Die Breite der Verbindungsstege 53 ist so klein wie möglich ausgeführt, um der Forderung nach geringer magnetischer Leitfähigkeit gerecht zu werden. Eine bestimmte Mindestbreite der Verbindungsstege 53 kann jedoch nicht unterschritten werden, damit die auftretenden mechanischen Kräfte, vor allem die in radialer Richtung wirkenden Zentrifugalkräfte, auch im Bereich der Zwischenräume 52 und insbesondere im Bereich des peripheren Randes des Rotorblechs 50 aufgenommen werden können. Dennoch kommt es zu einem unerwünschten magnetischen Fluss durch die metallischen Verbindungsstege 53.
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In 3 ist nun ein Rotorblech 60 eines erfindungsgemäßen Rotors für einen Elektromotor zu sehen. Auch dieses Rotorblech 60 hat einen Blechschnitt mit Führungsstegen 61 aus Metall und freien Zwischenräumen 62, die als relativ schmale Schlitze ausgebildet sind. Anders als bei dem Rotorblech gemäß 2 fehlen jedoch die dortigen Verbindungsstege, welche die Zwischenräume unterbrechen. Stattdessen sind an der Oberseite des Rotorblechs 60 kleine runde Erhöhungen 63 ausgebildet.
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Wie aus dem zugehörigen Stufenschnitt in 4 ersichtlich, sind an der Unterseite der geschichteten Rotorbleche 60 jeweils korrespondierende Vertiefungen 64 eingeformt. Die Erhöhungen 63 und Vertiefungen 64 sind durch in das Blech eingeprägte Sicken 65 gebildet.
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Wie aus 4 ersichtlich, sind Stützbleche 70 ohne Zwischenräume zwischen die magnetisch aktiven Rotorbleche 60 eingesetzt. Nach jeweils zehn aufeinandergestapelten Rotorblechen 60 folgt ein Stützblech 70. Die Stützbleche 70 haben ebenfalls Erhöhungen 71 und korrespondierende Vertiefungen 72 zur formschlüssigen Verbindung mit dem benachbarten Rotorblech 60.
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In den Zwischenräumen 62 der Rotorbleche 60 sitzen Permanentmagnete 80. Es handelt sich hier um den Rotor eines permanent-erregten Synchronmotors.
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Bei schneller Drehzahl des Elektromotors wirken hohen Fliehkräfte insbesondere auf die peripheren Abschnitte der Rotorbleche 60 ein. Infolge der Schwächung der Blechstruktur durch die Zwischenräume 62 besteht die Gefahr, dass sich die relativ dünnen Führungsstege 61 unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte radial nach außen verbiegen, was zu einer Verengung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator (vgl. 2) führen könnte. Die zwischen den einzelnen Rotorblechen 60 angeordneten Verbindungselemente in Form der Erhöhungen 63 und korrespondierenden Vertiefungen 64 übertragen die radialen Schubkräfte von einem Rotorblech 60 auf das benachbarte Rotorblech. Die Sicken 65 (4) ersetzen gleichsam die herkömmlichen Verbindungsstege 53 (2) und erhöhen die Festigkeit der Rotorstruktur.
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Das Rotorblech 90 gemäß 5 entspricht im Wesentlichen dem Rotorblech 60 gemäß den 3 und 4. Etwas unterschiedlich sind hier die Konturen der Führungsstege 91 und der Zwischenräume 92. Die Zwischenräume 92 enden im Luftspalt. Erhöhungen 93 an der einen Seite des Rotorblechs 90, welche in korrespondierende Vertiefungen des benachbarten Rotorblechs formschlüssig eingreifen, sind nur im Bereich der Peripherie des Rotorblechs 90 angeordnet. Dafür gibt es hier schmale Verbindungsstege 94, welche die Zwischenräume 92 unterbrechen.
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Bei der weiteren Ausführungsform gemäß 6 hat der Blechschnitt des Rotorblechs 100 zwei Führungsstege 101a, 101b, welche das Blech in drei Teile zerschneiden, sowie entsprechend ausgebildete Zwischenräume 102a, 102b, welche wiederum schlitzförmig ausgebildet sind und in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator übergehen. Damit das Rotorblech 100 nicht auseinanderfällt, sind mehrere Erhöhungen 103 auf der Oberseite des Rotorblechs 100 ausgebildet, welche in (nicht dargestellte) korrespondierende Vertiefungen an der gegenüberliegenden Seite des jeweils benachbarten Rotorblechs formschlüssig eingreifen.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 20
- Stator
- 30
- Rotor
- 40
- Luftspalt
- 50
- Rotorblech
- 51
- Führungssteg
- 52
- Zwischenraum
- 53
- Verbindungssteg
- 60
- Rotorblech
- 61
- Führungssteg
- 62
- Zwischenraum
- 63
- Erhöhung
- 64
- Vertiefung
- 65
- Sicke
- 70
- Stützblech
- 71
- Erhöhung
- 72
- Vertiefung
- 80
- Permanentmagnet
- 90
- Rotorblech
- 91
- Führungssteg
- 92
- Zwischenraum
- 93
- Erhöhung
- 94
- Verbindungssteg
- 100
- Rotorblech
- 101a, 101b
- Führungsstege
- 102a, 102b
- Zwischenräume
- 103
- Erhöhung
