DE19753916A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

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.