DE19753916A1 - Electrical machine - Google Patents

Electrical machine

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Abstract

An electrical machine comprises a stator and a rotor (10) within it has the rotor designed as drum-shaped. This can be joined to a centrally located shaft. The drum (11) has connecting devices (30) in the form of spokes or a disc to connect it to the shaft (20). The connecting devices are located almost centrally extending radially in the drum so that the rotor is divided into two parts and therefore two rotor systems are formed. The stator (1) has lamination packets (2) which are prepared onto the drum wall and which work together with a corresponding pole system located on the drum wall of the rotor.

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.The invention relates to an electrical machine comprising a stator and a rotor rotatably mounted in the stator, the rotor being drum-like is formed where in the drum-like rotor with a centric arranged shaft is connectable.

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.Electrical machines, be it as a generator or as an electric motor well known. A disadvantage of these known electrical Machines is that this is a big one with eccentricity of the rotor generate magnetic tensile force in the radial direction, which is providing sometimes requires extremely expensive storage. The eccentricity stems from the bearing play and manufacturing tolerances, as well as the deflection the wave. In addition, known electrical machines build relatively long.

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. An electrical machine of the type mentioned at the outset is on the third German wind energy conference DEWEK '96. A such a machine with a radial air gap is characterized by a pot-like rotor, the walls having the pole systems, which are picked up by a suitably trained stator.  

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.With such a machine, it is true that the one acting on the rotor Normal force components are largely compensated, but they are Bending moments due to the weight of the individual components of the Machine not to be neglected.

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.The invention is therefore based on the object of an electrical machine of the type mentioned at the beginning, which in contrast to electrical Build state-of-the-art machines much shorter and at bending components acting on the shaft can be significantly reduced can.

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.Such a machine is characterized according to the invention in that the drum for connection to the shaft connection means in the form of Has spokes or a disc, the connecting means about are arranged radially extending centrally in the drum, so that the Rotor is divided into two and consequently two rotor systems are formed. With such a rotor, which is designed in two parts in the axial direction, that is, a rotor that is approximately double T-shaped on average Appearance is essentially the emergence of Bending moments avoided. Only the moments that affect the bearings due to the machine's own weight. In addition, that in contrast to a disc rotor in a drum-like Training of the rotor, the effective area is not radial, but rather, axially to the input or output shaft of the electrical machine extends, which has the immediate advantage that with such Machine with a given outer diameter also much higher Performances can be realized as with a disc runner. In addition, the installation of the rotor in the stator is considerably simplified, since the radial tensile forces are reduced, and thus the risk of contact of the rotor with the stator does not exist.

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.It is specifically provided that the stator has laminated cores,  which are directed towards the drum wall of the rotor, and which with a corresponding arranged on the drum wall of the rotor Interact pole system.

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.According to a special feature of the invention it is provided that the stator the drum-shaped rotor on both sides of the Drum wall can be gripped like a clamp. That means that for Power generation no longer just a surface of the drum-like rotor Is available, but two, namely the outer and the inner wall of the drum-shaped rotor. In contrast to an electrical one Machine in which the torque and useful energy generation only on the External wall of the drum-like rotor can be done by this Measure a substantial reduction in the overall length and increase in Utilization rate can be reached. This is after another Feature of the invention provided that the stator the drum wall has bracketed arms, the arms each on the have stator laminations on the side facing the drum wall. Especially in connection with the special design of a pole system with respect to the rotor with permanent magnets, the individual Permanent magnets magnetic against each other in the tangential direction are isolated, it is achieved that those acting radially on the rotor Essentially cancel out forces. A pole system is defined here Dynamo or stator laminations, on either side of the rotor be recorded by the stator, as well as the corresponding Windings and the magnet of the rotor. With magnetic insulation is the use of poorly conductive materials Understood. Such compensation of the radial magnetic Traction results in detail from the fact that the magnetic flux almost completely passes through the pole systems in the radial direction, and that within each pole system in the tangential direction only a very low magnetic flux between each other at the circumference following magnetic poles exists. Through such a double  As already stated, the stator / rotor system can exert the forces on the Be neglected, which is directly related to the rotor Bearing of the shaft affects that the bearing forces of the bearings for the shaft can be dimensioned much smaller than this conventional electrical machines is the case.

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.The drum-type shows a special feature of the machine Rotor in the area of the stator laminated core is groove-like, axially extending Recesses for receiving the permanent magnets, the Rotor material in the area of these groove-like recesses is non-magnetic, i. H. consists of magnetically poorly conductive material.

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.Another variant is characterized in that the permanent magnets on a magnetically conductive carrier material in the axially extending recesses of the rotor in the area of the stator laminations are applied, for example, by gluing.

Vorteilhaft ist ferner, wenn die Permanentmagnete aus einzelnen Teilmagneten aufgebaut sind, die zur Vermeidung von Verlustleistung durch Wirbelstrombildung gegeneinander magnetisch isoliert sind.It is also advantageous if the permanent magnets consist of individual Partial magnets are built up to avoid power loss through Eddy current formation are magnetically isolated from each other.

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.Another feature of the invention is characterized in that between the two rotor systems on both sides of the Connection means the magnetic flux exchange largely is avoided; this can be done in detail by the fact that the drum-like rotor is arranged in a housing, the radial external wall made of a non-magnetic material such. B. Aluminum is formed.

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.An embodiment has also been found to be advantageous in which the currents in the windings on each system side of the drum-like rotor arranged laminated cores switched three-phase,  but are out of phase with each other by 60 °. By a big one Phase number, the formation of so-called harmonics is avoided. Through such a phase-shifted feeding of the currents into each Rotor system the harmonics are reduced in the same way, as if a six-phase system were provided on each side, which is, however, expensive due to the required special converters.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine elektrische Maschine, die aus mehreren in Reihe geschalteten elektrischen Maschinen der oben beschriebenen Art besteht.The invention also relates to an electrical machine that consists of several series-connected electrical machines of the above described type exists.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.The invention will be explained in more detail below by way of example with reference to the drawings explained.

Fig. 1 zeigt die elektrische Maschine in einer Seitenansicht im Schnitt; Fig. 1 shows the electrical machine in a side view in section;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie II-II aus Fig. 1; Fig. 2 shows a section along the line II-II of Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Aufbaues des Rotors; Fig. 3 shows a first embodiment of the structure of the rotor;

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Aufbaues des Rotors; Fig. 4 shows a second embodiment of the structure of the rotor;

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Aufbaues des Rotors. Fig. 5 shows a third embodiment of the structure of the rotor.

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. Referring to FIG. 1, the electric machine from a total of stator 1 and a rotor designated generally designated 10, which is connected to the drive shaft 20. The stator housing 1 or the stator, which is made, for example, of aluminum and thus made of an essentially non-magnetic material, shows the dynamo or stator laminated core 2 with the windings 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).The rotor, designated as a whole by 10 , has the drum 11 , which is connected to the shaft 20 by the disk 30 . Since the drum 11 is divided in the middle by the disk 30 , it is designed in the manner of a double-T. The legs 13 , 4 of the T each protrude into the U-shaped recess of the stator housing, which is formed by the arms 1 a, 1 b. Corresponding to the dynamo sheet package and arranged in the dynamo sheet package 2 windings 3 10 magnets 15 are disposed on the drum 11 of the rotor. When choosing the rotor material or the material of the drum 11 , various combinations are now conceivable. So it is provided that the drum 11 is made of steel, on which the magnets 15 are applied ( Fig. 3). However, it is also conceivable to segment the drum 11 in the circumferential direction, ie to form the drum from individual aluminum segments or to provide recesses, the magnets being arranged in the recesses ( FIG. 5), or to form the drum from individual steel and aluminum segments , the magnets being glued to the steel segments in the area of the steel segments ( 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.1. Electrical machine comprising a stator and a rotor rotatably arranged in the stator, the rotor being designed in the manner of a drum, the drum-like rotor being connectable to a centrally arranged shaft, characterized in that the drum ( 11 ) for connection to the shaft ( 20 ) has connecting means ( 30 ) in the form of spokes or a disk, the connecting means being arranged approximately centrally extending radially in the drum ( 11 ), so that the rotor ( 10 ) is divided into two and consequently two rotor systems are formed. 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.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the stator ( 1 ) has laminated cores ( 2 ) which are directed towards the drum wall of the rotor ( 10 ) and which cooperate with a corresponding pole system arranged on the drum wall of the rotor. 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.3. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the stator ( 1 ) of the drum-shaped rotor ( 10 ) on both sides of the drum wall can be gripped like a clamp. 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. 4. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the stator ( 1 ) has arms surrounding the drum wall in the manner of clamps, the arms ( 1 a, 1 b) each showing stator laminations ( 2 ) on the side facing the drum wall. 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.5. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the pole system of the rotor comprises permanent magnets ( 15 ), the individual permanent magnets being magnetically isolated from one another in the tangential direction. 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.6. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the drum-like rotor ( 10 ) in the region of the stator core ( 2 ) has groove-like, axially extending recesses for receiving the permanent magnets, the rotor material in the region of the groove-like recesses being non-magnetic. 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.7. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the drum-like rotor ( 10 ) in the region of the stator core ( 2 ) has groove-like, axially extending recesses for receiving the permanent magnets, the permanent magnets being applied to a magnetically conductive carrier material. 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.8. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the currents in the windings of the stator laminations ( 2 ) arranged on each system side ( 13 , 14 ) of the drum-like rotor ( 10 ) are connected in three phases, but are phase-shifted with respect to one another by 60 ° . 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. 9. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that between the two rotor systems ( 13 , 14 ) on both sides of the connecting means ( 30 ) the magnetic flux exchange is largely avoided. 10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radial außenliegende Wandung des Statorgehäuses (1) aus einem unmagnetischen Material gebildet ist.10. Electrical machine according to claim 9, characterized in that the radially outer wall of the stator housing ( 1 ) is formed from a non-magnetic material. 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.11. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized, that the permanent magnets have individual partial magnets, which for Avoiding power loss through eddy current formation are magnetically isolated from each other. 12. Elektrische Maschine gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung von mehreren elektrischen Maschinen gemäß einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 11.12. Electrical machine marked by a series connection of several electrical machines according one or more of claims 1 to 11.
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