DE112011105558T5

DE112011105558T5 - Dauermagnet-Rotor mit kombiniertem Blechpaket und Verfahren zu dessen Zusammensetzung

Info

Publication number: DE112011105558T5
Application number: DE112011105558.7T
Authority: DE
Inventors: Yury Danilovich Vinitzky; Mikhail Avramovich Avanesov; Evgeny Victorovich Kazmin; Gary Randall Barnes; Ronghai Qu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2014-05-22
Also published as: GB2507230B; WO2013032353A1; KR101868048B1; KR20140053222A; US20140292132A1; GB201402523D0; WO2013032353A8; GB2507230A; US10027190B2

Abstract

Ein Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung, der aufweist: ferromagnetische Bleche, die entlang einer Längsachse des Rotors gestapelt sind; nicht-magnetische Bleche, die entlang der Längsachse gestapelt sind, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen den ferromagnetischen kreisringförmigen Blechen angeordnet sind; Hohlräume im Rotor, die durch ausgerichtete Nuten in den ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen gebildet werden, wobei die Hohlräume parallel zur Achse des Rotors sind, und (einen) Dauermagneten in jedem von den Hohlräumen. Die Bleche können jeweils aus einer kreisringförmigen Scheibe bestehen oder können Segmente sein, die in einer kreisringförmigen Anordnung um die Welle des Rotors angeordnet sind.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft das Gebiet der aus Blechschichten bestehenden Rotoren für elektrische Maschinen, und insbesondere aus Blechschichten bestehende Rotoren mit eingebetteten Dauermagneten (PM).
Aus Blechschichten bestehende Rotoren werden in der Regel durch Stapeln von Blechen, wie kreisringförmigen Scheiben oder Scheibensegmenten, auf einem zylindrischen Ring oder direkt auf der Rotorwelle zusammengesetzt. In einem herkömmlichen aus Blechschichten bestehenden Rotor sind die Bleche alle aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Siliciumstahl, gebildet. Isolierschichten sind zwischen den Blechen angeordnet. Die Isolierschichten bestehen in der Regel jeweils aus einem Überzug auf ferromagnetischen Blechen.
Dauermagnete sind in Hohlräumen innerhalb des aus Blechschichten bestehenden Rotors enthalten. Magnetischer Kraftfluss von den Magneten reicht von der Oberfläche des Rotors bis zum Stator. Die Dauermagnete können in Bezug auf eine Profiltiefe des Rotors geneigt sein, können parallel zur Profiltiefe sein oder eine andere Orientierung in Bezug auf die Profiltiefe haben. Die Hohlräume für die Magnete erstrecken sich parallel zur Achse des Rotors und verlaufen durch jedes der Bleche, die auf dem Rotor gestapelt sind. In der Regel erstrecken sich die Hohlräume bis in die Nähe der Außenfläche des Rotors.
Die Brücken, die mit den Hohlräumen und Magneten assoziiert sind, insbesondere die Brücken in der Nähe der Rotoroberfläche, sind vergleichsweise dünn. Die Brücken sind das Rotormaterial zwischen aneinander angrenzenden Hohlräumen und zwischen den Hohlräumen und der Rotoroberfläche. Die Brücken werden tendenziell so dünn ausgebildet, wie es das Rotormaterial im Hinblick auf die Zentrifugalkräfte und Spannungen, die an die Brücken angelegt werden, gestattet.
Zentrifugalkräfte werden durch die Drehung des Rotors und die Masse der Dauermagnete und Bleche verursacht. Die Spannungen, die durch diese Zentrifugalkräfte verursacht werden, konzentrieren sich in den relativ schmalen Regionen der Bleche zwischen den radial äußeren Enden der Hohlräume und der Außenfläche des Rotors. Diese schmalen Regionen zwischen den radial äußeren Enden der Hohlräume und der Außenfläche des Rotors werden als äußere Brücken oder manchmal auch einfach als Brücken bezeichnet.
Andere schmale Regionen im Rotor beinhalten die Regionen zwischen den Hohlräumen, wenn mehr als ein Hohlraum pro Pol vorhanden ist. Diese Regionen werden als innere Brücken bezeichnet und können auch mit Spannungskonzentrationen beaufschlagt werden, wenn sie Zentrifugalkräften ausgesetzt werden. Ferner können die inneren Brücken auch Wege für magnetischen Streufluss bieten.
Zusätzlich zu Zentrifugalkräften können elektromagnetische Kräfte Spannungskonzentrationen in den inneren und äußeren Brücken verursachen. Elektromagnetische Kräfte können besonders stark während Kurzschlussbedingungen sein. Die Spannungen aufgrund von elektromagnetischen Kräften können im Verhältnis zu Zentrifugalkräften am stärksten in mittelschnell und langsam laufenden Maschinen zum Tragen kommen.
Die ferromagnetischen Materialien, aus denen die Bleche (Schichten) bestehen, haben jeweils eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit und sind anfällig für ein Versagen unter hohen zentrifugalen Belastungen. Die Brücken der herkömmlichen ferromagnetischen Bleche werden relativ dick (breit) gemacht, um die schwache Zugfestigkeit des ferromagnetischen Materials auszugleichen und um den hohen Zentrifugalkräften zu widerstehen, die eine Folge der Masse der Dauermagnetstäbe und der hohen Drehzahl des Rotors sind.
Brücken bieten einen parallelen Weg für den magnetischen Kraftfluss. Ein Teil des magnetischen Kraftflusses verläuft durch einen Luftspalt und verkettet sich mit der Statorwicklung. Dies ist der „nützliche” oder „arbeitende” Teil des magnetischen Kraftflusses, der zu der Arbeit beiträgt, die vom Rotor und vom Stator verrichtet wird. Ein weiterer Teil des magnetischen Kraftflusses verläuft durch Brücken und verkettet sich nicht mit der Statorwicklung. Der Kraftfluss, der durch die Brücken verläuft, ist Streufluss oder verlorener Kraftfluss, der nichts zu der Arbeit beiträgt, die vom Rotor und vom Stator verrichtet wird.
Der magnetische Streufluss vom Rotor nimmt mit der Dicke der Brücken der Bleche zu. Der Streufluss tritt als Kraftfluss auf, der nicht den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor kreuzt und sich nicht mit einer Ankerwicklung im Stator verkettet. Zum Entwerfen eines herkömmlichen aus Blechschichten gebildeten PM-Rotors gehört es, ein Gleichgewicht zwischen der Notwendigkeit für eine ausreichende Festigkeit der Brücken der Bleche und der Notwendigkeit für eine Verminderung von magnetischem Streufluss zu finden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Herkömmliche aus Blechschichten bestehende PM-Rotoren weisen eingebettete Dauermagnete auf, und tendenziell leiden nur ferromagnetische Bleche unter einem übermäßigen magnetischen Streufluss. Ein Grund für den Streufluss ist, dass die Sättigungsbrücken relativ dick sind, um einen strukturellen Halt für den Rotor bereitzustellen. Seit langem besteht der Wunsch nach einer Reduzierung der Dicke der Brücken in einem aus Blechschichten bestehenden Rotor, um dadurch den Streufluss aus dem Rotor mit eingebetteten Dauermagneten zu reduzieren.
Es wurde ein Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung konzipiert, der aufweist: eine Mehrzahl von ferromagnetischen Blechen, die entlang einer Längsachse des Rotors gestapelt sind; eine Mehrzahl von nicht-magnetischen Blechen, die entlang der Längsachse gestapelt sind, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen den ferromagnetischen kreisringförmigen Blechen angeordnet sind; eine Mehrzahl von Hohlräumen im Rotor, die durch ausgerichtete Nuten in den ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen gebildet werden, wobei die Hohlräume parallel zur Achse des Rotors sind, und einen Dauermagneten in jedem von den Hohlräumen. Die Bleche können jeweils aus einer kreisringförmigen Scheibe bestehen oder können Segmente sein, die in einer kreisringförmigen Anordnung um die Welle des Rotors angeordnet sind.
Im Rotor können die nicht-magnetischen kreisringförmigen Bleche zwischen den ferromagnetischen kreisringförmigen Blechen angeordnet sein, und die Dauermagnete können so geneigt sein, dass eine Seite jedes Dauermagneten in Bezug auf die Achse radial weiter außen liegt als die entgegengesetzte Seite des Dauermagneten. Die nicht-magnetischen Bleche können 10 Prozent bis 25 Prozent einer Länge der nicht-magnetischen und ferromagnetischen Bleche ausmachen, die für den Rotor gestapelt sind. Stangen können sich durch die Bleche hindurch erstrecken, um das Blechpaket auf dem Rotor zu stützen. Die Stangen können radial innerhalb der Nuten und radial außerhalb eines inneren Umfangsrands der Bleche angeordnet sein. Stangen, die sich durch die Bleche hindurch erstrecken, können auch radial außerhalb der Nuten und radial innerhalb eines Außenumfangs der Bleche an Symmetrieachsen zwischen den Magneten angeordnet sein.
Es wurde ein zylindrischer Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung konzipiert, der aufweist: ferromagnetische Bleche, die entlang einer Längsachse des Rotors gestapelt sind; nicht-magnetische Bleche, die entlang der Längsachse gestapelt sind, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen die ferromagnetischen kreisringförmigen Bleche gestapelt sind; Hohlräume, die von Nuten in den ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen gebildet werden, wobei sich die Nuten durch die Bleche hindurch erstrecken und die Hohlräume parallel zur Achse des Rotors sind, und einen Dauerstabmagneten in den Hohlräumen, wobei sich der Dauerstabmagnet parallel zur Achse des Rotors erstreckt. Die nicht-magnetischen Bleche können 10 Prozent bis 25 Prozent einer Länge der nicht-magnetischen und ferromagnetischen Bleche ausmachen, die für den Rotor gestapelt sind. Nicht-magnetische Blechschichten können dickere Brücken aufweisen als magnetische Blechschichten. Dicke Brücken in den nicht-magnetischen Blechschichten wären hinnehmbar, da sie die Einführung von Magneten nicht verhindern.
Es wurde ein Verfahren konzipiert, um einen Rotor für einen Generator zusammenzusetzen, welches umfasst: Stapeln von ferromagnetischen Blechen und nicht-magnetischen Bleche entlang einer Achse, um einen zylindrischen Rotor zu bilden, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen die ferromagnetischen Bleche gestapelt werden; Ausbilden von Hohlräumen im Rotor durch Ausrichten von Nuten im Blechstapel bzw. Blechpaket, und Positionieren der Dauermagnete in den ausgerichteten Hohlräumen der Bleche.
In dem Verfahren können Stangen axial durch die Bleche hindurch angeordnet werden, um das Blechpaket zu stützen. Die Nuten in den nicht-magnetischen Blechen weisen jeweils eine radial äußere Oberfläche auf, die sich radial einwärts weiter erstreckt als eine radial äußere Oberfläche von jeder der Nuten in den ferromagnetischen Blechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer rotierenden elektromagnetischen Maschine und zeigt einen aufgeschnitten dargestellten Stator und einen Rotor.
2 zeigt schematisch den Rotor in einem Querschnitt senkrecht zur Rotorachse.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Schnittes durch ein Rotorblech oder ein Blechsegment.
4 ist eine schematische Ansicht einer Blechschicht und zeigt Kraftflusslinien durch die Blechschicht und insbesondere durch die Brücken in der Blechschicht.
5 ist ein Schaltplan, der einen Kraftfluss durch einen Rotor zeigt.
6 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Teils des Rotors, wobei der Querschnitt entlang der Rotorachse genommen ist und Kraftflusslinien dargestellt sind.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Teils eines Rotors des Standes der Technik, wobei der Kraftfluss des Dauermagneten von Pfeilen dargestellt ist.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform von gestapelten Blechen für einen Rotor.
9 ist eine schematische Darstellung eines Teiles eines Blechs oder eines Blechsegments mit Öffnungen für Stangen, die sich durch den Rotor erstrecken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung einer rotierenden elektromagnetischen Maschine 10 und zeigt einen aufgeschnitten dargestellten Stator 12 und einen aus Blechschichten bestehenden Rotor 14. Die elektrische Maschine kann ein Motor sein, wobei der elektrische Strom im Stator den Rotor antreibt, indem er ein elektromagnetisches Drehmoment an den Rotor anlegt. Die elektrische Maschine kann ein Generator sein, wobei der Rotor von einer Turbine drehend angetrieben wird und elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) in Spulen des Stators erzeugt wird.
Der Rotor 10 weist Dauermagnete (PM) innerhalb des aus Blechschichten bestehenden Rotors auf. Der Rotor kann ein zylindrischer Stapel aus Blechschichten sein, z. B. aus Blechen oder Blechsegmenten 16, 17, die an einem zylindrischen Kranz 18 oder direkt auf der Rotorwelle 20 montiert sind. Der Kranz 18 kann koaxial auf der Rotorwelle 20 sitzen, die auf Lagern in einem Gehäuse montiert ist, in dem der Rotor und der Stator untergebracht sind. Der Kranz ist optional, und die Bleche können direkt an der Rotorwelle montiert werden.
Die Blechschichten 16, 17 können durch Isolierschichten oder Überzüge 19, die aus Materialien wie Harzen und nicht-leitenden Blechen bestehen, voneinander getrennt sein. Die Bleche im Rotor sind eine Mischung aus ferromagnetischen Blechen 16 und nicht-magnetischen Blechen 17.
Die ferromagnetischen Bleche 16 sind aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Eisen, gebildet. Die nicht-magnetischen Bleche 17 können aus einem hochfesten Material gebildet sein, das nicht magnetisch sein muss. Beispiele für hochfeste Materialien für die Bleche 17 sind unter anderem Edelstahl und andere Arten von nicht-magnetischen Metallen. Die nicht-magnetischen Bleche können auch aus Materialien gebildet sein, die genauso fest oder weniger fest sind als das ferromagnetische Material, aus dem die magnetischen Blechschichten bestehen. Wenn die nicht-magnetischen Bleche eine Materialfestigkeit aufweisen, die so hoch ist oder weniger hoch ist als die der magnetischen Bleche, können die Brücken in den nicht-magnetischen Kerblechen dicker sein als die Brücken in den magnetischen Blechen.
Die Bleche können so am Rotorkranz gestapelt sein, dass die ferromagnetischen Bleche 16 sich mit den nicht-magnetischen Blechen 17 abwechseln. Die abwechselnde Anordnung kann so sein, dass mindestens ein nicht-magnetisches Blech zwischen zwei angrenzenden ferromagnetischen Blechen liegt. Ebenso können die abwechselnden Anordnungen so sein, dass zwei, drei der mehr ferromagnetische Bleche 16 in Gruppen zusammengestapelt sind und ein nicht-magnetisches Blech 17 zwischen den einzelnen Gruppen aus ferromagnetischen Blechen 16 liegt. Eine Isolierschicht 19, beispielsweise ein Harz oder ein nichtleitendes Material, kann zwischen jedem den einzelnen Blechen 16 und 17 angeordnet sein.
Die Bleche müssen nicht alle gleich dick sein. Zum Beispiel können die ferromagnetischen Bleche 16 relativ dick sein, z. B. 1,5 mm, falls sie aus Eisen gebildet sind. Ferromagnetische Bleche, die aus Silicumstahl gebildet sind, weisen eine Dicke von 0,35 bis 0,65 mm auf. Generell sind die magnetischen Blechschichten umso dünner, je höher die Frequenz der Leistung in der Vorrichtung ist. Die Dicke der nicht-magnetischen Blechschichten kann derjenigen der magnetischen Blechschichten gleich sein oder dünner oder dicker sein. Die nicht-magnetischen Blechschichten können eine Dicke von nicht mehr als 2 mm aufweisen.
Der Anteil von nicht-magnetischen Blechen 17 an der Länge des gestapelten Rotors ist vorzugsweise so groß wie möglich, aber so, dass er einen nutzbaren Luftspaltfluss nicht reduziert. Ein Beispiel für den Bereich der Menge der nicht-magnetischen Bleche in einem Rotorblechpaket ist 10 Prozent bis 25 Prozent. Eine weitere Vergrößerung der Menge an nicht-magnetischen Blechen könnte eine Reduzierung eines Luftspaltflusses bewirken und einen insgesamt negative Effekt haben.
2 ist eine schematische Darstellung des Rotors 14 und zeigt ein kreisringförmiges Blech 16 oder 17 am Rotorkranz 18. Hohlräume, die von Nuten 22 in den Rotorblechen gebildet werden, bieten Aussparungen, in denen die Dauermagnete 24 aufgenommen werden können. Die Nuten 22 können so bemessen sein, dass sie die Dauermagnete aufnehmen können, und schräg in Bezug auf eine Profiltiefe der Scheibe orientiert sein. Die Hohlräume in den einzelnen Rotorblechen sind so ausgerichtet, dass die Hohlräume sich parallel zur Achse 26 des Rotors erstrecken.
Die Dauermagnete 24 können so im Rotor angeordnet sein, dass die Magnetpole 30 symmetrisch um den Umfangsrand des Rotors angeordnet sind. Die Pole 30 sind abwechselnde Nord- und Südpole. Die Magnete müssen so angeordnet sein, dass die Seiten von aneinander angrenzenden Magneten 24 die gleiche Polarität aufweisen, die die Polarität des jeweiligen Pols des Motors definieren. Der Rotor kann eine volle Symmetrie der Dauermagnete um jeden Pol 30 aufweisen. Genauer kann jeder Halbpol im Rotor symmetrisch sein in Bezug auf die andere Hälfte des Pols. Ferner kann der winkelmäßige Polabstand zwischen jedem von den Polen 30 für alle Pole im Rotor gleichmäßig sein. Die Anzahl der Pole in einem Rotor kann größer sein als in 2 dargestellt, wo nur ein Beispiel für einen PM-Blechpaketrotor, aber kein beschränkender Fall für einen solchen Rotor gezeigt ist.
Die Nuten 22 in den kreisringförmigen Blechen 16 17 können in der Nähe der äußeren zylindrischen Oberfläche 28 der Rotorbleche 16 angeordnet sein. Brücken 32, 34, die auch als Sättigungsbrücken bezeichnet werden, sind Regionen in den kreisringförmigen Blechen zwischen der Nut und dem Außenrand der Scheibe. Eine äußere Brücke 32 wird von dem Rotormaterial zwischen einer radial äußeren Ecke der Nut und der Außenfläche des 28 des Rotors gebildet. Die äußere Brücke ist tendenziell die schmälste Region der kreisringförmigen Bleche. Eine innere Brücke 34 ist in jedem Blech zwischen der radial inneren äußeren Ecke der Nuten ausgebildet. Die Brücken 32, 34 verleihen den Dauermagneten 24 in den Nuten strukturelle Stütze. Die Brücken 32, 34 halten den Zentrifugalkräften stand, die aus der Drehung resultieren, die an die Magnete 24 und und die gestapelten Rotorbleche 16, 17 angelegt wird.
3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils von einem der kreisringförmigen Bleche 16, 17, um die Nuten (Hohlräume) 22 in den Blechen deutlich zu zeigen. Die Nuten 22 können Querschnitte aufweisen, die im Allgemeinen wie Rennbahnen geformt sind. Die Nuten sind so geformt, dass sie die Dauermagnete 24 aufnehmen können. Der Querschnitt, z. B. die Größe und die Form, der Nuten ist allgemein an den Querschnitt der Dauermagnete angepasst, die in die Nuten eingeführt werden sollen.
Nicht-magnetische Abstandhalter 36 in den Nuten stützen die Magnete und verhindern, dass die Magnete aus den Nuten rutschen. Die nicht-magnetischen Abstandhalter können herkömmliche Stäbe sein die an die Seiten der Magnete angrenzen. Die Querschnittsform der Abstandhalter ist der Form der Seitenwände der Nuten angepasst. Bei den Abstandhaltern kann es sich um Stäbe handeln, die sich längs des Rotorblechpakets erstrecken, oder um eine Reihe von Blöcken, die aneinander anstoßend im Rotor angeordnet sind. Die Abstandhalter können aus duktilem Material gebildet sein, beispielsweise aus Kunststoff oder Weichmetall. Alternativ dazu können die Abstandhalter eine mit Epoxid gefüllte Region sein.
3 eignet sich gut, um eine alternative Blechschichtung zu zeigen, bei der jede Blechschicht ein Segment eines Kreisringes ist statt eines vollständigen Kreisringes wie er in 2 dargestellt ist. Das Blechschichtsegment ist mit anderen Blechschichtsegmenten so angeordnet, dass eine kreisringförmige Anordnung von Segmenten gebildet wird. Jede kreisringförmige Anordnung von Blechschichtsegmenten kann ganz aus nicht-magnetischen Blechschichten, ganz aus magnetischen Blechschichten oder aus einer Kombination aus nicht-magnetischen Blechschichtsegmenten und magnetischen Blechschichtsegmenten bestehen. Wie bei den in 2 dargestellten Stapel- bzw. Paketrotoren kann ein gestapelter Rotor, der aus kreisringförmigen Anordnungen von Blechschichtsegmenten besteht, abwechselnd magnetische und nicht-magnetische Blechschichten aufweisen, die in einer Richtung der Rotorachse gestapelt sind.
Blechschichtsegmente können sich für große Rotoren eignen. Jedes Blechschichtsegment kann eine Spanne, z. B. einen Kreisbogen, auweisen, der mindestens das Zweifache des Spannenwinkels eines Pols in dem Rotor beträgt. Zum Beispiel kann ein Blechschichtsegment drei Pole überspannen.
Jeder Pol weist ein Paar zugehöriger eingebetteter Magnete auf. Es kann eine Winkelverschiebung um einen Pol zwischen aneinander angrenzenden Schichten gegeben sein, um für eine Überlappung zu sorgen.
Die Segmente können in einer kreisringförmigen Anordnung direkt auf der Rotorwelle oder um einen Ring, einen Mantel oder Kranz der Rotorwelle herum angeordnet sein. Die Segmentanordnungen können Schicht auf Schicht auf den Rotor gestapelt sein.
4 ist eine Skizze einer magnetischen Blechschicht 44, bei der es sich um ein Blechschichtsegment oder um einen Teil einer kreisringförmigen Blechschicht handeln kann. Die Magnetlinien 46 auf der Blechschicht zeigen die Dichteverteilung des Kraftflusses über einer Rotorpolabstandsregion an. Außer in der Region der Brücken sind die Kraftflussdichten in der Blechschicht 44 relativ gering, wie von den breiten Lücken zwischen den Linien angezeigt ist. Als Anhaltspunkt können die Kraftflussdichten in den Regionen der Blechschichten 44 außer an den Brücken unter 1 Tesla liegen. Die Kraftflussdichten in und nahe an den Brücken 32, 34 können bis zu 2,5 Tesla betragen, wie von den schmalen Lücken zwischen den Kraftflusslinien 46 an den Brücken angezeigt ist.
An den Brücken erreicht die Kraftflussdichte ihre Sättigung, wodurch der Streufluss begrenzt wird. Trotzdem kann der Streufluss durch die Brücken beispielsweise immerhin dreißig Prozent (30%) des Luftspaltflusses betragen. Der gesamte PM-Kraftfluss ist eine Summe aus Luftspaltfluss und Streufluss. Ein 30%iger Verlust aufgrund von Streufluss durch die Brücken ist besorgniserregend.
5 ist eine vereinfachte magnetische Ersatzsschaltung 48 des Rotors mit magnetischen und nicht-magnetischen Blechschichten. Die magnetische Schaltung 48 stellt schematisch den Kraftfluss durch den Rotor dar. Der Term Fmg ist die magnetomotorische Kraft der Dauermagnete, Rmg ist der magnetische Eigenwiderstand der Dauermagnete, Rg ist der magnetische Widerstand des Luftspalts zwischen der Rotoroberfläche und dem Stator, Rbr ist der kombinierte magnetische Widerstand der Brücken, und Ri ist der magnetische Widerstand der Blechschichten. Für die Zwecke dieses Beispiels ist Ri wegen der geringen Kraftflussdichten in den Blechschichten ein kleiner Widerstand.
Die Hinzufügung von nicht-magnetischen Blechschichten zu einem Rotorblechpaket mit magnetischen Blechschichten führt zu einer Erhöhung der Widerstände Rbr und Ri, beispielsweise um etwa zwanzig Prozent (20%). Da Ri relativ klein ist, wirkt sich die Zunahme von Ri nicht wesentlich auf den PM- und den Luftspaltfluss aus. Die Zunahme des magnetischen Widerstands an den Brücken (Rbr), die aus den nicht-magnetischen Blechschichten resultiert, führt insgesamt zu einer leichten Verringerung des PM-Kraftflusses und einer erheblichen Verstärkung des gewünschten Luftspaltflusses. Die erhebliche Verstärkung des Luftspaltflusses hat ihre Ursache in der deutlichen Verringerung des Streuflusses durch die Brücken, die durch die Verwendung der nicht-magnetischen Blechschichten möglich wird.
6 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines aus Blechschichten bestehenden PM-Rotors 14, der in einer Ebene, die parallel ist zur Achse des Rotors, im Querschnitt dargestellt ist. Der Rotor ist aus einem Stapel aus ferromagnetischen Blechen 16 und nicht-magnetischen Blechen 17 gebildet, wobei Isolierschichten 19 die Bleche voneinander trennen. Die Bleche weisen Nuten 22 auf, die sich durch das Blechpaket erstrecken, das den Rotor 14 bildet. Die Nuten enthalten Dauermagnete 24. Die Bleche sind auf einem zylindrischen Ring 18 montiert.
Die in 6 dargestellten Magnetflusslinien 38 zeigen, dass der Kraftfluss in erster Linie durch die ferromagnetischen Bleche 16 verläuft. Aufgrund der Orientierung der Pole der Magnetstäbe 24 im Rotor verläuft der Magnetfluss im Allgemeinen entlang radialer Linien im Rotor. Der Kraftfluss konzentriert sich deshalb in den ferromagnetischen Blechen, weil ihre magnetische Durchlässigkeit im Vergleich zu der Durchlässigkeit der nicht-magnetischen Bleche hoch ist. Der Kraftfluss ist in den nicht-magnetischen Blechen weniger stark konzentriert, wie von den Einzelpunktlinien angegeben ist.
7 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Rotors 40, der ganz aus ferromagnetischen Blechen 16 besteht, aber ansonsten mit dem in 6 dargestellten Rotor 14 vergleichbar ist. Der Magnetfluss 42, der von den Dauermagneten 24 erzeugt wird, ist in allen Blechen gleichmäßig verteilt.
Die gleichmäßige Kraftflussverteilung in einem herkömmlichen, ganz aus ferromagnetischen Blechen bestehenden Rotor 40 steht im Gegensatz zu der Konzentration des Kraftflusses in den ferromagnetischen Blechen im Rotor 14, der aus nicht-magnetischen und ferromagnetischen Blechen 16, 17 gebildet ist, wie in 6 dargestellt. Es wird angenommen, dass die Kraftflussdichte in den ferromagnetischen Blechen 16 des Rotors 14 wegen der Konzentration des Kraftflusses größer ist als die Flussdichte in einem vergleichbaren Rotor 40, der ganz aus ferromagnetischen Blechen gebildet ist.

Es wurde ein Vergleich zwischen einem Generator mit einem Rotor ganz aus ferromagnetischen Blechen und einem Rotor durchgeführt, der ähnlich war, bis auf die Tatsache, dass sein Rotor aus vierundachtzig Prozent (84%) ferromagnetischen Blechen und sechzehn (16%) nicht-magnetischen (Edelstahl-)Blechen bestand, wobei sich die Prozentangaben auf die axiale Länge des Rotors beziehen. Beide Generatoren waren dafür ausgelegt, die gleiche Leistung auszugeben, während sie bei der gleichen festen Drehzahl und der gleichen festen Netzspannung betrieben wurden. Die nachstehende Tabelle 1 liefert einen Vergleich dieser beiden Generatoren:

Tabelle 1
Parameter	Einheit	Durchwegs ferromagn. Bleche	84% ferromagn. und 16% nicht-magn. Bleche
Rotorstapelfaktor	-	0,96	0,8
Gegen-EMK pro axialer Einheitslänge (RMS)	V/m	1218	1265
Länge des Stators und Rotorblechpakets	%	100%	96%
Gesamte aktive Masse	%	100%	96%

In dem in Tabelle 1 dargestellten Beispiel weist ein PM-Generator, der einen Rotor mit nicht-magnetischen und mit ferromagnetischen Blechen aufweist, eine höhere Gegen-EMK und Ausgangsleistung pro Einheitslänge des Rotors auf als der Generator, der einen Rotor aufweist, der ganz aus ferromagnetischen Blechen besteht. Aufgrund der höheren Gegen-EMK und Ausgangsleistung pro Einheitslänge des Rotors kann die aktive Länge eines Rotors, der einige nicht-magnetische Bleche aufweist, kürzer, z. B. um vier Prozent kürzer sein, als bei einem vergleichbaren Rotor, der ganz aus ferromagnetischen Blechen gebildet ist. Die reduzierte Rotorlänge erlaubt eine Verkleinerung, z. B. des Volumens und der Masse, der elektrischen Maschine aufgrund dessen, dass der Rotor nicht-magnetische und ferromagnetische Bleche aufweist. Die Verringerung der Masse der Maschine führt im Allgemeinen zu einer Senkung der Kosten für die Maschine.
Andere Vorteile, die durch Einbeziehung von nicht-magnetischen und ferromagnetischen Blechen in einen Rotor mit eingebetteten Dauermagneten erhalten werden, sind unter anderem; (i) relativ dünne Sättigungsbrücken in den ferromagnetischen Blechen, (ii) erhöhte Festigkeit des Rotors aufgrund der hohen Festigkeit oder Dicke der nicht-magnetischen Bleche, (iii) verbesserte Wärmeleitfähigkeit und verbesserte Ableitung der Rotorwärme aufgrund der hohen Leitfähigkeit der nicht-magnetischen Bleche.
8 ist eine Skizze, die einen aus Blechschichten bestehenden Rotor 50, der aus einem Stapel von ferromagnetischen Blechen 52 und nicht-magnetischen Blechen 54 besteht, im Querschnitt zeigt. Die Bleche weisen ausgerichtete Nuten 56, 58 auf, die Hohlräume im Rotor definieren, um Dauermagnetstäbe 60 aufnehmen zu können.
Die Nuten 56 in ferromagnetischen Blechen 52 sind in einer radialen Auswärtsrichtung leicht versetzt zu den Nuten 58 in den nicht-magnetischen Blechen 54. Die Nuten 56 in den nicht-magnetischen Blechen können in einer radialen Einwärtsrichtung um wenige Millimeter, z. B. 1 bis 3 mm, zu den Nuten 58 in den ferromagnetischen Blechen versetzt sein. Dieser radiale Versatz kann dadurch erzeugt werden, dass man die Nuten 58 in den nicht-magnetischen Blechen schmäler macht als die Nuten 56 in den ferromagnetischen Blechen.
Der radiale Versatz bewirkt, dass die Nuten 58 der nicht-magnetischen Bleche an den Dauermagneten anstoßen, während es sein kann, dass die Nuten der ferromagnetischen Bleche nicht an den Magneten 60 anstoßen. Der Stoß zwischen dem Magneten und der Nut des nicht-magnetischen Blechs kann eine Umhüllung oder andere Folie oder dünne Schicht beinhalten, die den Magneten schützt. Der radiale Versatz ist minimiert, um eine Reduzierung des Kraftflusses zu vermeiden. Der radiale Versatz kann weniger als 1 mm betragen.
Wegen der Stoß-Lagebeziehung stützen die nicht-magnetischen Bleche den Dauermagneten. Die Zugfestigkeit und die Duktilität der nicht-magnetischen Scheibe, z. B. aus Edelstahl, eignen sich besser für die Stützung der Magnete als die ferromagnetischen Bleche. Die versetzten oder schmäleren Nuten in den nicht-magnetischen Blechen stellen sicher, dass sie die zentrifugale Last der Dauermagnete tragen. Wegen ihrer breiteren Nuten oder radial auswärts versetzten Nuten tragen die ferromagnetischen Bleche nicht die Zentrifugalkräfte des Dauermagneten.
9 zeigt schematisch einen Teil der Bleche 16, 17 (oder 44, 46) eines alternativen aus Blechschichten bestehenden PM-Rotors 62 mit ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen. Der Rotor 62 weist Stangen 64 auf, die durch die Bleche hindurch verlaufen. Die Stangen können aus magnetischem Material oder nicht-magnetischem Material, beispielsweise Edelstahl, bestehen. Die Stangen erstrecken sich durch Öffnungen in jedem von den Blechen. Die Öffnungen für die Stangen 64 können radial einwärts von den Nuten und an der inneren Brücke 34 der Bleche angeordnet sein.
Die Stangen gewährleisten, dass die Bleche in dem Paket, das den Rotor bildet, ihre Ausrichtung beibehalten und dass die Nuten der Bleche ihre Ausrichtung im Rotor beibehalten. Außerdem können die Stangen eine Verteilung von Zentrifugalkräften von den ferromagnetischen Blechen an die nicht-magnetischen Bleche zumindest zum Teil zulassen. Ferner können die Stangen verwendet werden, um die Bleche miteinander zu verspannen, und zwar unter Verwendung von mit Gewinden versehener Enden der Stäbe und von Bolzen, um Endplatten an einander entgegengesetzten Enden des Rotors zu sichern.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit der derzeit als am besten praxistauglich und am meisten bevorzugt angesehenen Ausführungsform beschrieben wurde, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sonder dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, die im Gedanken und Bereich der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
Bezugszeichenliste

10: Rotierende Maschine
12: Stator
14: Rotor
16, 17: Scheiben
18: Rotorkranz
19: Isolierschicht
20: Rotorwelle
22: Nuten in Rotorscheiben
24: Dauermagnete
26: Rotorachsen
28: Zylindrische Oberfläche eines Rotors
30: Magnetpole
32: Äußere Brücke
34: Innere Brücke
36: Nicht-magnetischer Abstandhalter
38: Magnetische Kraftflusslinien
40: Herkömmlicher Rotor 7
42: Magnetischer Kraftfluss – 7
44: Blechschicht in 4
46: Magnetische Kraftflusslinien
48: Magnetschaltung
50: Rotor – 8
52: Ferromagnetisches Blech
54: Nicht-ferromagnetisches Blech
56: Nuten
58: Nuten
60: Magnet
62: Rotor von 9
64: Stangen

Claims

Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von ferromagnetischen Blechen, die entlang einer Längsachse des Rotors gestapelt sind; eine Mehrzahl von nicht-magnetischen Blechen, die entlang der Längsachse gestapelt sind, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen den ferromagnetischen, kreisringförmigen Blechen liegen; eine Mehrzahl von Hohlräumen im Rotor, die durch ausgerichtete Nuten in den ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen gebildet werden, wobei die Hohlräume parallel zur Achse des Rotors sind, und einen Dauermagneten in den Hohlräumen.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetischen kreisringförmigen Bleche zwischen den beidseitig anliegenden ferromagnetischen Blechen angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die Dauermagnete so geneigt sind, dass eine Seite jedes Dauermagneten in Bezug auf die Achse radial weiter außen liegt als die entgegengesetzte Seite des Dauermagneten.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die nicht-magnetischen Bleche 10 Prozent bis 25 Prozent einer Länge der nicht-magnetischen und ferromagnetischen Bleche ausmachen können, die für den Rotor gestapelt sind.
Rotor nach Anspruch 1, ferner eine Mehrzahl von Stangen aufweisend, die sich durch die Bleche hindurch erstrecken, wobei die Stangen radial weiter innen als die Nuten und radial weiter außen als der Innenumfangsrand der Bleche angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei jeweils eine Isolierschicht zwischen den Blechen im Paket angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die Nuten in den nicht-magnetischen Blechen jeweils eine radial innere Oberfläche aufweisen, die sich radial einwärts weiter erstreckt als eine radial äußere Oberfläche von jeder der Nuten in den ferromagnetischen Blechen.
Zylindrischer Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung, aufweisend: ferromagnetische Bleche, die entlang einer Längsachse des Rotors gestapelt sind; nicht-magnetische Bleche, die entlang der Längsachse gestapelt sind, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen den ferromagnetischen, kreisringförmigen Blechen liegen; Hohlräume, die von Nuten in den ferromagnetischen und nicht-magnetischen Blechen gebildet werden, wobei sich die Nuten durch die Bleche hindurch erstrecken und die Hohlräume parallel sind zur Achse des Rotors, und einen Stabdauermagneten in den Hohlräumen, wobei sich der Stabdauermagnet parallel zur Achse des Rotors erstreckt.
Rotor nach Anspruch 8, wobei die nicht-magnetischen Bleche 10 Prozent bis 25 Prozent einer Länge der nicht-magnetischen und ferromagnetischen Bleche ausmachen können, die für den Rotor gestapelt sind.
Rotor nach Anspruch 8, ferner eine Mehrzahl von Stangen aufweisend, die sich durch die Bleche hindurch erstrecken, wobei die Stangen radial weiter innen als die Nuten und radial weiter außen als der Innenumfangsrand der Bleche angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 8, wobei die Nuten in den nicht-magnetischen Blechen jeweils eine radial äußere Oberfläche aufweisen, die sich radial einwärts weiter erstreckt als eine radial äußere Oberfläche von jeder der Nuten in den ferromagnetischen Blechen.
Rotor nach Anspruch 11, wobei der Dauermagnet an die radial äußere Oberfläche der Nuten in den nicht-magnetischen Blechen anstößt und an die radial äußere Oberfläche der Nuten der ferromagnetischen Bleche nicht anstößt
Verfahren zum Zusammensetzen eines Rotors für einen Generator, umfassend: Stapeln von ferromagnetischen Blechen und nicht-magnetischen Blechen entlang einer Achse, um einen zylindrischen Rotor zu bilden, wobei die nicht-magnetischen Bleche zwischen die ferromagnetischen Bleche gestapelt werden; Ausbilden von Hohlräumen im Rotor durch Ausrichten von Nuten im Blechpaket, und Anordnen von Dauermagneten in den ausgerichteten Hohlräumen der Bleche.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die nicht-magnetischen Bleche 10 Prozent bis 25 Prozent einer Länge der nicht-magnetischen und ferromagnetischen Bleche ausmachen, die für den Rotor gestapelt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner eine Mehrzahl von Stangen aufweisend, die sich durch die Bleche hindurch erstrecken, wobei die Stangen radial weiter innen als die Nuten und radial weiter außen als der Innenumfangsrand der Bleche angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Nuten in den nicht-magnetischen Blechen jeweils eine radial äußere Oberfläche aufweisen, die sich radial einwärts weiter erstreckt als eine radial äußere Oberfläche von jeder der Nuten in den ferromagnetischen Blechen.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner die Stoßanordnung der Dauermagnete an der radial äußeren Oberfläche der Nuten in den nicht-magnetischen Blechen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner die Vermeidung einer Stoßanordnung zwischen dem Dauermagneten und der radial äußeren Oberfläche der Nuten der ferromagnetischen Bleche umfassend.