DE19753916A1 - Elektrische Maschine - Google Patents
Elektrische MaschineInfo
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- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und
einen in dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor trommelartig
ausgebildet ist, wo bei der trommelartige Rotor mit einer zentrisch
angeordneten Welle verbindbar ist.
Elektrische Maschinen, sei es als Generator oder als Elektromotor, sind
hinreichend bekannt. Nachteilig an diesen bekannten elektrischen
Maschinen ist, daß diese bei Exzentrizität des Rotors eine große
magnetische Zugkraft in radialer Richtung erzeugen, was die Bereitstellung
teilweise extrem aufwendiger Lager erforderlich macht. Die Exzentrizität
rührt aus dem Lagerspiel und Fertigungstoleranzen, sowie der Durchbiegung
der Welle. Außerdem bauen bekannte elektrische Maschinen relativ lang.
Eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist auf der 3.
Deutschen Windenergiekonferenz DEWEK '96 vorgestellt worden. Eine
solche Maschine mit radialem Luftspalt zeichnet sich durch einen
topfähnlichen Rotor aus, wobei die Wandungen die Polsysteme aufweisen,
die von einem entsprechend ausgebildeten Stator aufgenommen werden.
Zwar kann mit einer derartigen Maschine die auf den Rotor wirkende
Normalkraftkomponente weitgehend kompensiert werden, doch sind die
Biegemomente aufgrund des Eigengewichts der einzelnen Bauteile der
Maschine nicht zu vernachlässigen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, die im Gegensatz zu elektrischen
Maschinen aus dem Stand der Technik wesentlich kürzer bauen und bei der
auf die Welle wirkende Biegekomponenten wesentlich reduziert werden
können.
Eine derartige Maschine zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß
die Trommel zur Verbindung mit der Welle Verbindungsmittel in Form von
Speichen oder einer Scheibe aufweist, wobei die Verbindungsmittel etwa
mittig sich radial erstreckend in der Trommel angeordnet sind, so daß der
Rotor zweigeteilt ist und demzufolge zwei Rotorsysteme gebildet sind.
Durch einen derartigen in axialer Richtung zweigeteilt ausgebildeten Rotor,
das heißt, einen Rotor, der im Schnitt ein etwa Doppel-T-förmiges
Aussehen aufweist, wird im wesentlichen das Entstehen von
Biegemomenten vermieden. Auf die Lager wirken nur die Momente, die
aufgrund des Eigengewichts der Maschine entstehen. Darüber hinaus gilt,
daß im Gegensatz zu einem Scheibenläufer bei einer trommelartigen
Ausbildung des Rotors sich die wirksame Fläche nicht radial, sondern
vielmehr axial zur An- bzw. Abtriebswelle der elektrischen Maschine
erstreckt, was unmittelbar den Vorteil hat, daß mit einer derartigen
Maschine bei vorgegebenen Außendurchmesser auch wesentlich höhere
Leistungen realisiert werden können, als mit einem Scheibenläufer.
Außerdem ist der Einbau des Rotors in den Stator wesentlich vereinfacht,
da die radialen Zugkräfte reduziert sind, und somit die Gefahr der Berührung
des Rotors mit dem Stator nicht besteht.
Hierbei ist im Einzelnen vorgesehen, daß der Stator Blechpakete aufweist,
die auf die Trommelwandung des Rotors zugerichtet sind, und die mit
einem entsprechenden auf der Trommelwandung des Rotors angeordneten
Polsystem zusammenwirken.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß durch
den Stator der trommelartig ausgebildete Rotor zu beiden Seiten der
Trommelwandung klammerartig erfaßbar ist. Das heißt, daß zur
Energieerzeugung nicht mehr nur eine Fläche des trommelartigen Rotors zur
Verfügung steht, sondern zwei, nämlich die Außen- und die Innenwandung
des trommelartig ausgebildeten Rotors. Im Gegensatz zu einer elektrischen
Maschine, bei der die Drehmoment- und Nutzenergieerzeugung nur auf der
Außenwandung des trommelartigen Rotors erfolgt, kann durch diese
Maßnahme eine wesentliche Verkürzung der Baulänge und Erhöhung der
Ausnutzungsziffer erreicht werden. Hierbei ist nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß der Stator die Trommelwandung
klammerartig umgreifende Arme aufweist, wobei die Arme jeweils auf der
der Trommelwandung zugewandten Seite Statorblechpakete besitzen.
Insbesondere in Verbindung mit der speziellen Ausbildung eines Polsystems
in Bezug auf den Rotor mit Permanentmagneten, wobei die einzelnen
Permanentmagnete in tangentialer Richtung gegeneinander magnetisch
isoliert sind, wird erreicht, daß sich die radial auf den Rotor wirkenden
Kräfte im wesentlichen aufheben. Ein Polsystem definiert sich hierbei aus
Dynamo- bzw. den Statorblechpaketen, die zu beiden Seiten des Rotors
von dem Stator aufgenommen werden, sowie den entsprechenden
Wicklungen und den Magneten des Rotors. Unter magnetischer Isolierung
wird hierbei die Verwendung von magnetisch schlecht leitenden Materialien
verstanden. Eine derartige Kompensation der radialen magnetischen
Zugkraft ergibt sich im Einzelnen dadurch, daß der magnetische Fluß
nahezu vollständig in radialer Richtung durch die Polsysteme hindurchtritt,
und daß innerhalb jeden Polsystems in tangentialer Richtung nur ein sehr
geringer magnetischer Fluß zwischen den am Umfang aufeinander
folgenden Magnetpolen existiert. Durch ein derartiges doppeltes
Stator/Rotorsystem können, wie bereits ausgeführt, die Kräfte auf den
Rotor vernachlässigt werden, was sich unmittelbar in Bezug auf die
Lagerung der Welle dahingehend auswirkt, daß die Lagerkräfte der Lager für
die Welle wesentlich geringer dimensioniert werden können, als dies bei
herkömmlichen elektrischen Maschinen der Fall ist.
Nach einem besonderen Merkmal der Maschine zeigt der trommelartige
Rotor im Bereich der Statorblechpakete nutartige, sich axial erstreckende
Ausnehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete, wobei das
Rotormaterial im Bereich dieser nutartigen Aussparungen unmagnetisch, d. h.
aus magnetisch schlecht leitendem Material besteht.
Eine andere Variante zeichnet sich dadurch aus, daß die Permanentmagnete
auf einem magnetisch leitenden Trägermaterial in den axial sich
erstreckenden Ausnehmungen des Rotors im Bereich der Statorblechpakete
beispielsweise durch Kleben aufgebracht sind.
Vorteilhaft ist ferner, wenn die Permanentmagnete aus einzelnen
Teilmagneten aufgebaut sind, die zur Vermeidung von Verlustleistung durch
Wirbelstrombildung gegeneinander magnetisch isoliert sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
zwischen den beiden Rotorsystemen zu beiden Seiten des
Verbindungsmittels der magnetische Flußaustausch weitestgehend
vermieden wird; dies kann im Einzelnen dadurch geschehen, daß der
trommelartige Rotor in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die radial
außenliegende Wandung aus einem unmagnetischen Material z. B.
Aluminium ausgebildet ist.
Als vorteilhaft hat sich weiterhin eine Ausführungsform herausgestellt, bei
der die Ströme in den Wicklungen der auf jeder Systemseite des
trommelartigen Rotors angeordneten Blechpakete dreiphasig geschaltet,
aber gegeneinander um 60° phasenversetzt sind. Durch eine große
Phasenzahl wird die Entstehung von sogenannten Oberwellen vermieden.
Durch eine derartige phasenversetzte Einspeisung der Ströme in jedes
Rotorsystem werden in gleicher Weise die Oberwellen soweit vermindert,
wie wenn auf jeder Seite ein sechsphasiges System vorgesehen wäre, was
sich allerdings aufgrund erforderlicher spezieller Umrichter teuer gestaltet.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine elektrische Maschine, die aus
mehreren in Reihe geschalteten elektrischen Maschinen der oben
beschriebenen Art besteht.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt die elektrische Maschine in einer Seitenansicht im
Schnitt;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie II-II aus Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Aufbaues des Rotors;
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Aufbaues des Rotors;
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Aufbaues des Rotors.
Gemäß Fig. 1 besteht die elektrische Maschine aus einem insgesamt mit 1
bezeichneten Statorgehäuse und einem insgesamt mit 10 bezeichneten
Rotor, der mit der Antriebswelle 20 verbunden ist. Das Statorgehäuse 1
bzw. der Stator, der beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist und damit
aus einem im wesentlichen nicht magnetischen Material, zeigt das
Dynamo- oder Statorblechpaket 2 mit den Wicklungen 3.
Der insgesamt mit 10 bezeichnete Rotor besitzt die Trommel 11, die durch
die Scheibe 30 mit der Welle 20 verbunden ist. Die Trommel 11 ist, da sie
mittig durch die Scheibe 30 geteilt ist, nach Art eines Doppel-T's
ausgebildet. Die Schenkel 13, 4 des T's ragen jeweils in die durch die
Arme 1a, 1b U-förmige Aussparung des Statorgehäuses hinein.
Korrespondierend zu dem Dynamoblechpaket und den im
Dynamoblechpaket 2 angeordneten Wicklungen 3 sind auf der Trommel 11
des Rotors 10 Magnete 15 angeordnet. Bei der Wahl des Rotormaterials
bzw. des Materials der Trommel 11 sind nun verschiedene Kombinationen
denkbar. So ist vorgesehen, daß die Trommel 11 aus Stahl besteht, auf der
die Magnete 15 aufgebracht sind (Fig. 3). Denkbar ist allerdings auch, die
Trommel 11 in Umfangsrichtung zu segmentieren, d. h., die Trommel aus
einzelnen Aluminiumsegmenten auszubilden bzw. Ausnehmungen
vorzusehen, wobei in den Ausnehmungen die Magnete angeordnet sind
(Fig. 5), oder die Trommel aus einzelnen Stahl- und Aluminiumsegmenten
auszubilden, wobei im Bereich der Stahlsegmente die Magnete auf die
Stahlsegmente aufgeklebt sind (Fig. 4).
Claims (12)
1. Elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen in dem
Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei der Rotor trommelartig
ausgebildet ist, wobei der trommelartige Rotor mit einer zentrisch
angeordneten Welle verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trommel (11) zur Verbindung mit der Welle (20)
Verbindungsmittel (30) in Form von Speichen oder einer Scheibe
aufweist, wobei die Verbindungsmittel etwa mittig sich radial
erstreckend in der Trommel (11) angeordnet sind, so daß der Rotor
(10) zweigeteilt ist und demzufolge zwei Rotorsysteme gebildet sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stator (1) Blechpakete (2) aufweist, die auf die Trommelwandung
des Rotors (10) zugerichtet sind und die mit einem entsprechenden
auf der Trommelwandung des Rotors angeordneten Polsystem
zusammenwirken.
3. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch den Stator (1) der trommelartig ausgebildete Rotor (10) zu
beiden Seiten der Trommelwandung klammerartig erfaßbar ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stator (1) die Trommelwandung klammerartig umgreifende
Arme aufweist, wobei die Arme (1a, 1b) jeweils auf der der
Trommelwandung zugewandten Seite Statorblechpakete (2) zeigen.
5. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polsystem des Rotors Permanentmagnete (15) umfaßt,
wobei die einzelnen Permanentmagnete in tangentialer Richtung
gegeneinander magnetisch isoliert sind.
6. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der trommelartige Rotor (10) im Bereich der Statorblechpakete
(2) nutartige, sich axial erstreckende Ausnehmungen zur Aufnahme
der Permanentmagnete aufweist, wobei das Rotormaterial im Bereich
der nutartigen Aussparungen unmagnetisch ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der trommelartige Rotor (10) im Bereich der Statorblechpakete
(2) nutartige sich axial erstreckende Ausnehmungen zur Aufnahme
der Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete auf
einem magnetisch leitenden Trägermaterial aufgebracht sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ströme in den Wicklungen der auf jeder Systemseite (13, 14)
des trommelartigen Rotors (10) angeordneten Statorblechpakete (2)
dreiphasig geschaltet sind, aber gegeneinander um 60°
phasenversetzt sind.
9. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den beiden Rotorsystemen (13, 14) zu beiden Seiten
des Verbindungsmittels (30) der magnetische Flußaustausch
weitestgehend vermieden wird.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die radial außenliegende Wandung des Statorgehäuses (1) aus
einem unmagnetischen Material gebildet ist.
11. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Permanentmagnete einzelne Teilmagnete aufweisen, die zur
Vermeidung von Verlustleistung durch Wirbelstrombildung
gegeneinander magnetisch isoliert sind.
12. Elektrische Maschine
gekennzeichnet durch
eine Reihenschaltung von mehreren elektrischen Maschinen gemäß
einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 11.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997153916 DE19753916A1 (de) | 1997-12-05 | 1997-12-05 | Elektrische Maschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997153916 DE19753916A1 (de) | 1997-12-05 | 1997-12-05 | Elektrische Maschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19753916A1 true DE19753916A1 (de) | 1999-06-17 |
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Family Applications (1)
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DE1997153916 Ceased DE19753916A1 (de) | 1997-12-05 | 1997-12-05 | Elektrische Maschine |
Country Status (1)
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DE (1) | DE19753916A1 (de) |
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8131 | Rejection |