DE1488011A1

DE1488011A1 - Electric machine

Info

Publication number: DE1488011A1
Application number: DE19641488011
Authority: DE
Inventors: William Kober
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1964-05-26
Filing date: 1964-05-26
Publication date: 1969-04-10

Description

Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Welle, mit auf der Welle sitzenden Permanentmagneten, die zwischen sich einen eine Wicklung aufnehmenden Luftspalt begrenzen, mit einem die Permanentmagnete in Umfangsrichtung umschließenden metallischen Mantel, mit die Stirnseiten der Permanentmagnete abdeckenden, mit dem Mantel verbundenen und Kühlrippen aufweisenden metallischen Rückwänden. Electrical machine The invention relates to an electrical machine having a shaft with seated on the shaft of the permanent magnet defining a a coil receiving gap therebetween, covering with a permanent magnets in the circumferential direction surrounding metallic sheath, with the end faces of the permanent magnets, associated with the shell and metallic back walls having cooling fins.

Eine elektrische Maschine dieser Art ist bekannt. Bei dieser bekannten Maschine sind die Kühlrippen als getrennte Elemente auf die Rückwände aufgesetzt und z.B. angeschraubt, angenietet oder angeschweißt. Diese Befestigung durch Schrauben, Nieten oder Schweißen ist ein besonderer 4rbeitsgang, der Zeit erfordert und sich in den Kosten niederschlägt. Ein besonderer Nachteil liegt jedoch darin, daß die Wärmeleitfähigkeit an den Verbindungsflächen zwischen der Rückwand und den Kühlrippen herabgesetzt ist, da sich eine innige vollßächige Auflage praktisch nie erreichen läßt. Hierdurch wird der Abfluß der Wärme und damit die gewünschte Kühlwirkung herabgesetzt.An electric machine of this type is known. With this well-known Machine, the cooling fins are placed on the rear walls as separate elements and e.g. screwed, riveted or welded on. This fastening by screws, Riveting or welding is a special process that takes time and takes time is reflected in the cost. A particular disadvantage, however, is that the Thermal conductivity at the connection surfaces between the rear wall and the cooling fins is reduced, since an intimate full-surface support is practically never achieved leaves. This reduces the flow of heat and thus the desired cooling effect.

Ein weiterer Nachteil liegt noch darin, daß die zusätzlichen Verbindungselemente wie z.B. Schrauben oder Nieten ein eigenes Gewicht haben. Falls die elektrische Maschine z.B. in Raumfahrzeugen verwandt werden soll und jedes mögliche Gramm Gewicht eingespart werden muß, macht sich auch schon eine geringe überflüs-. sige Gewichtszunahme nachteilig bemerkbar.Another disadvantage is that the additional connecting elements how e.g. screws or rivets have their own weight. If the electric machine e.g. to be used in spacecraft and save every possible gram of weight has to be, even a small one makes itself superfluous. excessive weight gain is detrimental noticeable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigung und Verbindung für die Kühlgrippen an den Rückwänden zu schaffen, die in der Fertigung einfach und damit preiswert ist, die einen guten Wärmeübergang ermöglicht und die kein zusätzliches Gewicht erbringt. Die Lösung hierfür hat sich gemäß der Erfindung darin gezeigt, daß die Kühlrippen aus den Rückwänden herausgedrückt sind: Dieses Herausdrücken erfolgt durch einfaches Drücken, Pressen oder Stanzen und läßt sich somit in einem Arbeitsgang mit dem Formen der Rückwand selbst erzielen.The invention is based on the object of a fastening and connection for creating the cooling fins on the rear walls that are easy to manufacture and is therefore inexpensive, which enables good heat transfer and which does not require any additional Yields weight. The solution for this has been shown according to the invention in that that the cooling fins are pushed out of the rear walls: This pushing out takes place by simply pressing, pressing or punching and can therefore be combined in one Achieve the work step by shaping the back wall yourself.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines Generators als elektrische Maschine weiter beschrieben. Dieser Generator ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei ist: Fig. 1 ein Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Generator, Fig. 2 eine Seitenansicht der das Feld erzeugenden Teile, Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 eine Endansicht in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 1, jedoch in vergrößertem Maßstab und ohne Darstellung des Gehäuses, Fig. 5 eine Aufsicht auf eine der beiden Ständerwicklungen in Blickrichtung der Pfeile 5-5 in Fig. 4 und Fig. 6 eine Teilansicht auf eine der Wärmeabstrahlrippen, ge-sehen in Blickrichtung der Pfeile 6-6 in Fig. 4, in ver- größertem Maßstab und unter gleichzeitiger Darstellung des Magnetfluß-Rückführungsgliedes 20. The invention is further described below using the example of a generator as an electrical machine. This generator is shown in the drawing. 1 shows a longitudinal section through the generator according to the invention, FIG. 2 shows a side view of the parts generating the field, FIG. 3 shows a section along line 3-3 in FIG. 2, FIG. 4 shows an end view in the direction of arrows 4 -4 in Fig. 1, but on an enlarged scale and without representation of the housing, Fig. 5 is a plan view of one of the two stator windings in the direction of the arrows 5-5 in Fig. 4 and Fig. 6 is a partial view of one of the heat radiation fins, ge - See in the direction of the arrows 6-6 in FIG. 4, on an enlarged scale and with the simultaneous representation of the magnetic flux return element 20.

Die Figuren zeigen zwei miteinander identische, das Feld erzeu-gende Läufer 1 und einen Ständer 2. Die Läufer 1 sind auf im Um- fang vergrößerteAndabschnitten 3 einer Hübe 4 befestigt, die ihrer- seits auf die Abtriebswelle 5 eines nichtdargestellten Antriebs- motors aufgekemmt ist. Dieser kann z.B. durch einen Verbrennungs- motor dargestellt werden, der ein bei Position 6 angedeutetes Ge- häuse aufweist. Die Hülse 4 wird mit einem Gewindebolzen 7 auf die Welle 5 aufgedrückt. Der Kopf des Gewindebolzens 7 legt sich gegen eine Unterlegscheibe 28, die sich ihrerseits gegen den außen liegenden Rotor 1 drückt. Die Hülse 4 weist an ihrem äußeren Ende noch ein Innengewinde auf. Hier wird eine Schraube eingedreht, mit der sich die Hülse bei einer Demontage von der Welle 5 ab-drücken läßt. The figures show two identical with each other, the field erzeu- constricting rotor 1 and a stator 2. The rotor 1 are in circumferential vergrößerteAndabschnitten 3 strokes of a 4 attached to its part on the output shaft 5 of a not shown drive motor is aufgekemmt . This can be represented, for example, by an internal combustion engine which has a housing indicated at position 6. The sleeve 4 is pressed onto the shaft 5 with a threaded bolt 7. The head of the threaded bolt 7 rests against a washer 28, which in turn presses against the rotor 1 located on the outside. The sleeve 4 also has an internal thread at its outer end. A screw is screwed in here, with which the sleeve can be pushed off the shaft 5 when it is dismantled .

Der Ständer 2 enthält zwei einander paarweise zugeordnete Abschnitte 9. In jeden Abschnitt 9 ist eine Wicklung 10 aus einem flachen Leiter eingewickelt. Die Wicklungen 10 sind auf den zwi- schen den Läufern 1 durchtretenden Magnetfluß ausgerichtet. Die Windungen 10 sind zwischen zwei Platten 11 geklemmt. Je zwei Platten 11 bilden einen Rahmen und werden durch Abstandshalter 13 auf Abstand .gehalten. An je einer Platte ist ein Windungsanschluß 12 befestigt. Durch die Anstandshalter 13 treten Nieten 14 oder andere Befestigungsmittel durch. Mit diesen Nieten 14 und weiteren Bei-' festigungsstiften 15 wird der Ständer 2 auf Schultern 16 eines das Ganze umgebenden Gehäuses 17 gehalten.The stator 2 contains two sections 9 assigned to one another in pairs. In each section 9, a winding 10 made of a flat conductor is wrapped. The windings 10 are aligned with the magnetic flux passing between the rotors 1. The turns 10 are clamped between two plates 11. Two plates 11 each form a frame and are held at a distance by spacers 13. A winding connection 12 is attached to each plate. Rivets 14 or other fastening means pass through the spacers 13. With these rivets 14 and further fastening pins 15, the stand 2 is held on shoulders 16 of a housing 17 surrounding the whole.

Da beide Läufer miteinander identisch sind, reicht es aus, wenn nur einer im einzelnen beschreiben wird. Jeder Läufer 1 enthält einen ringförmigen Köp-Lrer,20 aus einem keramischen dauermagnetischen Material. Ein geeignetes Material dieser Art enthält Bariumferrit (BaFe12019). Diese Stoffe sind unter verschiedenen Namen, z.B. unter dem Handelsnamen "Indox" erhältlich. Dieses "Indox"-Material wird von der Indiana Steel Products Company of Valpariso, Indiana, vertrieben und in deren Bulletin Nr. 18 beschrieben. Jeder Magnetkörper 20 ist auf einer ringförmigen Magnetfluß-Rückführungsplatte 21 aus einem magnetischen Werkstoff, z.B. Eisen, befestigt. Das hei tlß, daß das Magnetfluß-Rückführungsglied 21 des linken Läufers aus Fig. 1 auf den zugehörigen Endabschnitt 3 der Hülse 4 drehfest aufgeschrumpft oder mit Preßsitz aufgesetzt ist, während das andere Magnetfluß-Rückführungsglied 21 auf den anderen Endabschnitt 3 der Hülse 4 aufgesetzt ist und mit der Unterleg-Scheibe 8 und einem Keil 18 drehfest mit der Hülse 4 verbunden ist. Das keramische Material des Magnetkörpers 20 ist spröde. Es erfordert einen Halt mit ganz beträchtlicher physikalischer Festigkeit. Dies gilt besonders für Anordnungen mit axialem Luftspalt, wie eine hier gezeigt wird, bei der sich der Magnetkörper in Längsrichtung der Drehachse erstreckt und auf seinem ganzen Umfang gegen die Fliehkräfte abgestützt werden muß.Since both runners are identical to each other, it is enough if only one will be described in detail. Each rotor 1 contains an annular Köp-Lrer, 20 made of a ceramic permanent magnetic material. A suitable material this Type contains barium ferrite (BaFe12019). These substances are under different names, e.g. available under the trade name "Indox". This "Indox" material is used by by the Indiana Steel Products Company of Valpariso, Indiana, and in their Bulletin No. 18 described. Each magnetic body 20 is on an annular magnetic flux return plate 21 made of a magnetic material such as iron. That means that Magnetic flux feedback member 21 of the left rotor from Fig. 1 on the associated End portion 3 of the sleeve 4 rotatably shrunk on or placed with a press fit is, while the other magnetic flux return member 21 to the other end portion 3 of the sleeve 4 is placed and with the washer 8 and a wedge 18 rotatably is connected to the sleeve 4. The ceramic material of the magnet body 20 is brittle. It requires a hold with quite considerable physical strength. This is especially true for arrangements with an axial air gap, such as one shown here in which the magnet body extends in the longitudinal direction of the axis of rotation and must be supported on its entire circumference against the centrifugal forces.

In der gezeigten Ausführung wird diese Aufgabe durch ein Gehäuse gelöst. Dieses Gehäuse weist eine sich über die Luftspaltseite des Magnetkörpers 20 erstreckende Vorderseite 22 und eine Seitenwand 23 auf, die den Magnetkörper 20 umschließt und sich axial über die Magnetfluß-Rückführungsplatte 21 erstreckt.In the embodiment shown, this task is performed by a housing solved. This housing has one that extends over the air gap side of the magnet body 20 Front 22 and a side wall 23 which encloses the magnetic body 20 and extends axially across the magnetic flux return plate 21.

Die Seitenwand 23 ist einstückig mit der Vorderseite 22 ausgebildet und stützt den Magnetkörper 20 gegenüber den zentrifugalen Kräften ab. Hierin wird sie von einer Rückwand 24 unterstützt, die auf der Hinterseite des Magnetfluß-Rückführungsgliedes 21 aufliegt. Die Vorderseite 22 schützt die Luftspaltseite des Magnetkörpers 20 auch noch vor einem Aufsplittern und gegenüber anderer physikalischer Zerstörung.The side wall 23 is formed in one piece with the front side 22 and supports the magnetic body 20 against the centrifugal forces. Herein is it is supported by a rear wall 24 which is on the rear of the magnetic flux return member 21 rests. The front side 22 protects the air gap side of the magnet body 20 even before splintering and other physical destruction.

Zusätzlich besteht das Gehäuse 22, 23, 24 aus einem guten elektrischen Leiter, wie Aluminium oder Kupfer. Damit ergeben sich elek-;risch leitende Pfade, die die jeweiligen Magnetpolflächen umschließen. Diese Pfade verlaufen über die Vorderseite 22 bis zu dem durch die Seitenwand 23 gebildeten Ring, über diesen Ring 23, dann zurück über die Vorderwand 22 bis zu einem inneren Kollektorring 2 25, über diesen Ring 25 und dann zurück zur Vorderwand 22, so daß der Kurzschlußweg geschlossen ist. Auch der Ring 25 besteht aus einem guten elektrischen Leiter, wie Aluminium oder Kpfer. Elek-;risch ist es mit dem Innenumfang der Vorderseite 22 verbunden. Die Vorderseite 22 erstreckt sich vollständig über die Luftspaltseite des Magnetkörpers 20 und über diese hinaus bis zum Mittelpunkt. Der Ring 25 liegt innerhalb des Läufers. Eine Interferenz mit dem Ständer 2 wird dadurch vermieden. Ebenfalls vermeidet man eine Verlängerung des Luftspaltes. Es bedarf ähes elektrischen Leiters mit großem Querschnitt, um hier in der Nähe des Mittelpunktes einen Strompfad mit niedrigem Widerstand zu schaffen. Die gesamte Fläche der Vorderseite 22 wirkt bei der Bildung dieser schützenden leitenden Pfade, die die.aktiven Flächen des Magnetkörpers 20 umschließen, mit. Dies bedeutet, daß die Vorderseite 22 wie eine Dämpfungswicklung wirkt und zusammen mit der Seitenwand 23 und unter Mibd.r-. kung des Ringes 25 einen Kurzschlußpfad bildet, der dazu dient, den magnetischen Zustand der Magnetkörper zu erhalten.In addition, the housing 22, 23, 24 is made of a good electrical conductor, such as aluminum or copper. This results in electrically conductive paths that enclose the respective magnetic pole surfaces. These paths run over the front 22 to the ring formed by the side wall 23, over this ring 23, then back over the front wall 22 to an inner collector ring 2 25, over this ring 25 and then back to the front wall 22, so that the Short-circuit path is closed. The ring 25 also consists of a good electrical conductor, such as aluminum or copper. It is electrically connected to the inner circumference of the front side 22. The front side 22 extends completely over the air gap side of the magnet body 20 and beyond this up to the center point. The ring 25 lies within the rotor. Interference with the stand 2 is thereby avoided. An extension of the air gap is also avoided. A similar electrical conductor with a large cross-section is required to create a current path with low resistance near the center point. The entire area of the front side 22 acts in the formation of these protective conductive paths which enclose the active areas of the magnetic body 20. This means that the front side 22 acts like a damping winding and together with the side wall 23 and under Mibd.r-. kung of the ring 25 forms a short-circuit path, which serves to maintain the magnetic state of the magnetic body.

In diesem Zusammenhang ist auch die Rückseite 24 von Wert, da sie den Stromweg verkürzt. Anstatt über die Seitenwand 23 kann der Strom durch die Rückwand 24 über die Rückseite des Magnetfluß-Rückführungsgliedes 21 fließen. Dieser verkürzte Pfad bedeutet erhöhte Leitfähigkeit. Dies ist besonders bei niedriger Polzahl von Vorteil.In this context, the rear side 24 is also of value, since it shortens the current path. Instead of via the side wall 23, the current can flow through the rear wall 24 flow over the back of the magnetic flux return member 21. This shortened Path means increased conductivity. This is particularly the case with a low number of poles Advantage.

Zusätzlich zu dieser Funktion als physikalische Abstützung und mechanischr Schutz für die Arbeitsfläche des Magnetkörpers 20 und der Funktion als Dämpfungs- und Kurzschlußwicklung, dient das Gehäuse 22, 23, 24 auch zum Kühlen des Magnetkörpers 20. Dadurch werden die entmagnetisierenden Auswirkungen der sich beim Betrieb einstellenden Erwärmung vermindert. Zu diesem Zweck besteht das Gehäuse aus einem guten Wärmeleiter. Auch hier sind Aluminium und Kupfer treffende Beispiele. Die Teile 22, 23 und 24 sind gut wärmeleitend miteinander verbunden. Das Gehäuse bildet daher nicht nur die.oben erläuterten elektrischen Strompfade, sondern auch ehe gute Wärmeableitung.In addition to this function as a physical support and mechanical Protection for the working surface of the magnetic body 20 and the function as a damping and short-circuit winding, the housing 22, 23, 24 also serves to cool the magnet body 20. This will reduce the demagnetizing effects that arise during operation Reduced warming. For this purpose, the housing is made of a good heat conductor. Here, too, aluminum and copper are good examples. Parts 22, 23 and 24 are connected to each other with good thermal conductivity. The housing therefore not only forms the electrical current paths explained above, but also before good heat dissipation.

Die beim Lauf entstehende Wärme wird somit durch das wärmeleitende Gehäuse zu dessen Rückwand 24 geführt. Auf dieser Rückwand 24 sind erfindungsgemäß wärmeabstrahlende Kühlrippen 26 angebracht. Diese sitzen nach Art von Ventilatorschaufeln auf der Rückwand auf. Diese Kühlrippen 26 bestehen aus dem gleichen wärmeleitenden Material wie die Rückwand 24. Wie Fig. 6 zeigt, wird die Rückwand einge-@ stanzt und die Kühlrippen 26 nach außen gedrückt. Das heiTß, daß das das Gehäuse 22, 23, 24 bildende Material die Wärme bis zu diesen Kühlrippen 26 überträgt. Die Kühlrippen 26 wirken weiter auch wie Ventilatorflügel, indem sie als Teile des Läufers 1 umlaufen. Dadurch wird das Gehäuse einmal unmittelbar durch Wärmeleitung bis an die Kühlrippen 26 gekühlt. Eine weitere wirksame Kühlung des Magnetkörpers 20 ergibt sich durch den von den Kühlrippen 26 entfachten Lauftstrom.The heat generated during the run is thus through the thermally conductive Housing led to its rear wall 24. On this rear wall 24 are according to the invention heat radiating cooling fins 26 attached. These sit like fan blades on the back wall. These Cooling fins 26 consist of the same thermally conductive material such as the rear wall 24. As FIG. 6 shows, the rear wall punched in @ and the cooling fins 26 pressed outwards. That means that that Housing 22, 23, 24 forming material that transfers heat to these cooling fins 26. The cooling fins 26 also act like fan blades by being part of the Runner 1 circulate. As a result, the housing is once directly through thermal conduction cooled down to the cooling fins 26. Another effective cooling of the magnet body 20 is produced by the running current sparked by the cooling fins 26.

Sowohl Kupfer als auch Aluminium sind geeignete Wärme und Stromleiter. Vom Volumen aus betrachtet, ist Kupfer zu bevorzugen. Vom Gewicht aus betrachtet, verdient Aluminium den Vorzug. Aluminium bereitet jedoch Schwierigkeiten beim Löten oder Hartlöten, wenn es darauf ankommt, zwischen den verschiedenen Teilen eine gut leitende Bindung herzustellen.Both copper and aluminum are suitable conductors of heat and electricity. In terms of volume, copper is preferable. From the point of view of weight Aluminum deserves preference. However, aluminum is difficult to solder or brazing, when it comes down to it, one good between the different parts Establish a conductive bond.

In der gezeigten Ausführung bestehen die Vorderseite und die Seitenwand 23 aus einem Stück. Die Rückseite 24 ist in elektrisch und thermisch leitender Verbindung an ihrem Umfang mit der Seitenwand 23 verbunden. Die Verbindung kann 2.B. durch Löten erfolgen.In the embodiment shown, there is the front and the side wall 23 from one piece. The rear side 24 is in electrically and thermally conductive connection connected to the side wall 23 at its periphery. The connection can 2.B. by Soldering done.

Die Kühlrippen 26 sind im allgemeinen radial ausgerichtet. Ihr gegenseitiger Abstand ist im allgemeinen gleich ihrer radialen Länge. Eine solche Konstruktion ergibt die gewünschte Wärmeübertragung und Luftumwälzung, ohne daß hierdurch die elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften der Rückwand 24 nachteilig beeinflußt werden. Der Magnetkörper 20 ist auf das Magnetfluß-Rückführungsglied 21 aufgeklebt oder aufgekittet und an die Vorderseite 22 und Seitenwand 23 des Gehäues. Der Innendurchmesser der Seitenwand 23 übersteigt den Außendurchmesser des Magnetkörpers 20. Hierdurch wird .der Zusammenbau vereinfacht und ein Bruch des Magnetkörpers 20 beim Zusammenschieben verhindert. Im endgültigen Zustand kann der freie Raum mit Kitt gefüllt werden.The cooling fins 26 are generally oriented radially. Their mutual distance is generally equal to their radial length. Such a construction results in the desired heat transfer and air circulation without the electrical and heat-conducting properties of the rear wall 24 being adversely affected. The magnetic body 20 is glued or cemented to the magnetic flux return member 21 and to the front 22 and side wall 23 of the housing. The inside diameter of the side wall 23 exceeds the outside diameter of the magnet body 20. This simplifies assembly and prevents the magnet body 20 from breaking when pushed together. In the final state, the free space can be filled with putty.

Claims

Patent application Electrical machine with a shaft, with permanent magnets sitting on the shaft, which delimit an air gap between them that accommodates a winding, with a metallic jacket that surrounds the permanent magnets in the circumferential direction, with cooling fins that cover the end faces of the permanent magnets and are connected to the jacket having metallic rear walls, characterized in that the cooling ribs (26) are pressed out of the rear walls (24).