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Die
Erfindung betrifft den Elektromaschinenbau, insbesondere Rotoren
von Dauermagnetmaschinen, vorwiegend von Synchrongeneratoren mit Dauermagneten.
Die Erfindung kann als Bestandteil verschiedener Stromversorgungsquellen
als Generator mit permanentem Feld eingesetzt werden. Sie kann beispielsweise
als Bestandteil eines Synchrongenerators mit Dauermagneten in Autos
oder Motorbooten verwendet werden. Die Rotoren können zu autonomen Energieerzeugungsanlagen
gehören, und
zwar als Bestandteil von Dauermagnetmaschinen (Synchrongeneratoren
mit permanenten Magneten) zur Stromversorgung verschiedener Verbraucher
(Beleuchtung, Betätigung
unterschiedlicher elektrischer Werkzeuge) sowie zur Ausführung unterschiedlicher,
verfahrenstechnischer Abläufe,
beispielsweise Lichtbogenschweißen.
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Stand der Technik
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Durch
die RF 2178615 zur Anmeldung 2000120729/09 vom 02.08.2000 ist ein
Rotor einer Dauermagnetmaschine, vorwiegend von einem Synchrongenerator
mit Dauermagneten, bekannt. Er enthält eine Fassung eines Magnetleiters.
Die Fassung ist fest mit einer Stützachse verbunden. An der Fassung
des Magnetleiters sind permanente Feldmagnete befestigt. Die Magnetpole
sind wechselseitig am Umfang der Fassung angeordnet.
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Die
Mängel
des bekannten Rotors der Dauermagnetmaschine sind dessen bedeutender
Metallaufwand sowie die beachtlichen Abmessungen. Die Ursachen sind
sowohl ein hoher Metallaufwand als auch die Abmessungen der robusten,
zylinderförmigen
Magnetleitungsfassung. Die Fassung besteht aus zwei gleichen, voneinander
getrennten und axial aneinander gesetzten Segmenten. Auf den Segmenten
sind separate, permanente Feldmagnete angeordnet. Die Magnete sind
radial magnetisiert. Die gleichnamigen Magnetpole sind in angrenzenden Segmenten
in diametral entgegen gesetzter Richtung gedreht. Die Magnete sind
mit ihren Polen im Kreis der angrenzenden Segmente um 180 elektrische
Grad zueinander verschoben. Ein weiterer Mangel des bekannten Rotors
ist dessen fertigungstechnische Komplexität. Sie ist dadurch bedingt, dass
in der Magnetleitungsfassung spezielle Radialnuten angebracht werden
müssen.
Sie sind für
den Magneteinbau vorgesehen, um die einzelnen Magnete zuverlässig in
der Fassung zu befestigen und ein Herausfallen der Magnete zu verhindern,
wenn sich der Rotor mit einer großen Winkelgeschwindigkeit dreht.
Ferner ist die fertigungstechnische Komplexität dadurch bedingt, dass zwischen
den einzelnen Fassungssegmenten der Magnetleitung ein spezielles
unmagnetisches Einsatzstück
vorhanden ist. Das unmagnetische Einsatzstück teilt die Segmente axial
voneinander ab.
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Durch
die RF 2141716 zur Anmeldung 4831043/09 vom 02.03.1988 ist ein Rotor
einer Dauermagnetmaschine bekannt. Der Rotor enthält eine Ringfassung
einer Magnetleitung. Die Ringfassung ist mit einer Stützachse
fest verbunden. Auf der seitlichen Innenwand der Fassung ist eine
ringförmige, magnetische
Einlage eingebaut. Die magnetische Einlage wird durch permanente
Feldmagnete gebildet. Die Magnetpole der Feldmagneten sind wechselseitig
am Umfang der Fassung angeordnet.
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Der
Mangel des bekannten Rotors der Dauermagnetmaschine ist deren geringe
Betriebszuverlässigkeit
infolge der fertigungstechnischen Komplexität der zusammengesetzten, ringförmigen Einlage. Die
Einlage ist mit separaten Dauermagneten versehen. Die Breite der
Dauermagnete variiert in Radialrichtung. Die Magnete sind voneinander
durch magnetleitende Strecken getrennt. Die fertigungstechnische
Komplexität
ist ebenfalls durch eine geringe Zuverlässigkeit der Befestigung einzelner
Dauermagnete an die seitliche Innenwand der ringförmigen Rotorfassung
bedingt (Einsatz eines diamagnetischen, ringförmigen Abstandhalters aus Kunststoff
und einer Kappe; der Abstandhalter und die Kappe bilden die Ringfassung
des Rotors; dabei nimmt die Kappe die beachtlichen Radialfliehkräfte beim
Drehen der ringförmigen,
magnetischen Einlage mit den einzelnen Dauermagneten auf). Ein weiterer
Mangel des bekannten Rotors der Dauermagnetmaschine besteht in seinen
engen Betriebsparametern. Sie sind durch einen geringen Magnetfluss
bedingt, der beim Drehen der ringförmigen Fassung der Rotormagnetleitung
entsteht (aufgrund der geringen Breite der ringförmigen, magnetischen Einlage
und der inhomogenen Magnetisierung der Dauermagnete; die magnetische
Einlage wird von einzelnen Dauermagneten gebildet).
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Durch
die RF 2069441 zur Anmeldung 4894702/07 vom 01.06.1990 ist ein Rotor
einer Dauermagnetmaschine bekannt. Der Rotor enthält eine ringförmige Fassung
einer Magnetleitung mit einem Anschlagflansch. Die ringförmige Fassung
ist mit einer Stützachse
fest verbunden. An der seitlichen Innenwand der Fassung sind perma nente
Feldmagnete eingebaut. Die Magnete bilden unter sich eine ringförmige, magnetische
Einlage mit im Kreis wechselnden Polen.
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Der
Mangel des bekannten Rotors der Dauermagnetmaschine ist dessen geringe
Betriebszuverlässigkeit.
Der Grund dafür
ist die ungenügende Zuverlässigkeit
der einzelnen Dauermagnetbefestigungen an der seitlichen Innenwand
der ringförmigen Rotorfassung.
Die Dauermagnete bilden dabei eine ringförmige, magnetische Einlage.
Die Spannungsverteilung im Verknüpfungsbereich
der ringförmigen, magnetischen
Einlage mit der seitlichen Innenwand der ringförmigen Magnetleitungsfassung
ist äußerst ungleichmäßig. Der
Spannungsverlauf weist Sprünge
und starke Gefälle
auf. Ein weiterer Mangel des bekannten Rotors der Dauermagnetmaschine
besteht in seinen engen Betriebsparametern. Diese sind einerseits
durch einen geringen Magnetfluss bedingt, der beim Drehen des Rotors
entsteht (Einsatz einer schmalen, ringförmigen, magnetischen Einlage unter
Berücksichtigung
einer inhomogenen Magnetisierung der Magnetpole und eines zusätzlichen
Randeffekts der eine Abschwächung
der magnetischen Feldintensität
verursacht). Die engen Betriebsparameter sind ferner durch die fertigungstechnische Kompliziertheit
der breiten, ringförmigen,
magnetischen Einlage bedingt. Die magnetische Einlage wird von einzelnen
Dauermagneten gebildet. Laut Anforderung sind spezielle Anlagen
zur Aufmagnetisierung mehrpoliger Ringmagnete einzusetzen, die ihrer Zusammensetzung
nach vorwiegend einzigartig sind. Der Magnetfluss wird durch den
Magnetring des Rotors erzeugt. Dieser geringe Magnetfluss verursacht
seinerseits eine geringe Wirkleistung des Synchrongenerators, der
diesen Rotor einer Dauermagnetmaschine enthält.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in einer Betriebssicherheiterhöhung des
Rotors der Dauermagnetmaschine und einer Erweiterung seiner Betriebsparameter.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach
weist der Rotor einer Dauermagnetmaschine, vorwiegend eines Synchrongenerators mit
Dauermagneten, eine ringförmige
Magnetleitungsfassung mit einem Anschlagflansch auf. Die Fassung
ist mit einer Stützachse
fest verbunden. An der seitlichen Innenwand der Fassung ist eine
ringförmige,
magnetische Einlage eingebaut. Die Einlage wird von permanenten
Feldmagneten mit im Kreis wechselnden Polen gebildet. Die seitliche
Innenwand der ringförmigen
Magnetleitungsfassung im Rotor ist mit einer ringförmigen Aussparung
versehen. Die genannte, ringförmige,
magnetische Einlage ist aus einer Gruppe gleicher, einteiliger Ringmagnete
mit im Kreis wechselnden Polen gefertigt. Die Ringmagnete sind in
der genannten, ringförmigen
Aussparung an der seitlichen Innenwand der ringförmigen Magnetleitungsfassung
angeordnet. Die Ringmagnete sind unter sich an ihren Stirnflächen und
mit der seitlichen Wand der genannten, ringförmigen Aussparung gekoppelt.
Dabei liegen die gleichnamigen, abwechselnden, kreisförmig angeordneten
Magnetpole der angrenzenden, einteiligen Ringmagnete kongruent zueinander
und in gleichen Radialebenen.
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Der
Unterschied der vorliegenden Erfindung zum Stand der Technik besteht
darin, dass jeder der einteiligen Ringmagnete als hohler Kreiszylinder
hergestellt wird. Der Zylinder besteht aus einem pulverartigen,
magnetisch anisotropen Material.
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Außerdem sind
die Verknüpfungsbereiche der
einteiligen Ringmagnete unter sich und mit der seitlichen Wand der
erwähnten,
ringförmigen
Aussparung in der seitlichen Innenwand der ringförmigen Magnetleitungsfassung
verklebt.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Rotor einer Dauermagnetmaschine gemäß der Erfindung und
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2 einen
Schnitt längs
der Linie A-A in 1.
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Der
Rotor einer Dauermagnetmaschine, vorwiegend eines Synchrongenerators
mit Dauermagneten, besteht aus einer ringförmigen Fassung 2 der Magnetleitung
mit einem Anschlagflansch 3. Die Fassung 2 ist
mit einer Stützachse 1 fest
verbunden. An einer seitlichen Innenwand 4 der Fassung 2 ist
eine ringförmige,
magnetische Einlage eingebaut. Die Einlage ist von permanenten Feldmagneten
mit am Umfang wechselnden Polen (S-N) verbunden. Die seitliche Innenwand 4 der
ringförmigen
Fassung 2 der Magnetleitung ist mit einer ringförmigen Aussparung „a” versehen.
Die genannte, ringförmige,
magnetische Einlage ist aus einer Gruppe gleicher, einteiliger Ringmagnete 5 mit
am Umfang wechselnden Polen (S-N) versehen. Die Magnete sind in
der Ringaussparung „a” angeordnet.
Sie befinden sich an der seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Fassung 2 und
sind unter sich an ihren Stirnflächen „b” und mit der
Seitenwand der genannten, ringförmigen
Aussparung „a” verknüpft. Die
gleichnamigen, im Kreis wechselnden Magnetpole (S-N) in den angrenzenden,
einteiligen Ringmagneten 5 sind kongruent zueinander angeordnet
und liegen in denselben Radialebenen.
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Jeder
der einteiligen Ringmagnete 5 ist als hohler Kreiszylinder
aus einem pulverartigen, magnetisch anisotropen Material hergestellt.
Die Verknüpfungsbereiche
der einteiligen Ringmagnete 5 unter sich und ihre Verknüpfungsbereiche
mit der Seitenwand der ringförmigen
Aussparung „a” in der seitlichen
Innenwand 4 der ringförmigen
Fassung 2 der Magnetleitung sind miteinander verklebt (in
der Zeichnung nicht abgebildet). Zur Übertragung des Drehmoments
ist die Ringfassung 2 der Magnetleitung mit der Stützachse 1 mittels
einer Federverbindung mit einer Feder 6 verknüpft. Die
Feder 6 ist in einer entsprechenden Nut der Stützachse 1 angeordnet.
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Der
Rotor einer Dauermagnetmaschine, vorwiegend eines Synchrongenerators
mit Dauermagneten, wird folgendermaßen montiert und betrieben:
Die
einteiligen Ringmagnete 5 sind aus einem pulverartigen,
magnetisch anisotropen Material hergestellt. Jeder dieser Ringmagneten 5 ist
in einem verfahrenstechnischen Hilfsring untergebracht (in der Zeichnung
nicht abgebildet) und gemäß den vorgegebenen
Kennwerten magnetisiert (abhängig
von der Polanzahl und der Koerzitivfeldstärkengröße, je nach Materialmagnetisierung
des einteiligen Ringmagneten). Jeder dieser Ringmagnete 5 wird
zusammen mit dem genannten, verfahrenstechnischen Hilfsring in einem
Sonderinduktor einer Anlage zur Aufmagnetisierung von Ringmagneten
(in der Zeichnung nicht abgebildet) nach Abschluss des Magnetisiervorgangs
aus dem verfahrenstechnischen Hilfsring herausgepresst und in die
Ringfassung 2 der Magnetleitung und in die ringförmige Aussparung „a” in der seitlichen
Innenwand 4 der ringförmigen
Fassung 2 bis zum jeweiligen Anschlag eingepresst. Danach wird
der Vorgang wiederholt. Der nächste
einteilige, ringförmige
Magnet 5 wird in einem Sonderinduktor der Anlage zur Aufmagnetisierung
magnetisiert. Er wird aus dem verfahrenstechnischen Hilfsring herausgepresst.
Danach wird er in die Ringfassung 2 der Magnetleitung in
die ringförmige
Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Fassung 2 bis
zum Anschlag gegen den vorhergehenden, einteiligen, ringförmigen Magnet 5 bis
zum Anschlag gegen seine Stirnfläche „b” eingepresst.
Danach wiederholt sich der Vorgang wiederum, bis in der ringförmigen Fassung 2 der
Magnetleitung (d. h. in der ringförmigen Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 eine durchgehende, ringförmige, magnetische
Einlage (Bund) gebildet ist. Diese Einlage besteht aus einteiligen
Ringmagneten 5. Gleichnamige, im Kreis wechselnde Magnetpole
(S-N) sind in dieser Einlage in den angrenzenden, einteiligen Ringmagneten
kongruent zueinander angeordnet und liegen in denselben Radialebenen.
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Zur
Festigkeitserhöhung
und der Zuverlässigkeit
der Befestigung der einteiligen Ringmagnete 5 in der ringförmigen Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Fassung 2 sind
die Verknüpfungsbereiche
der einteiligen Ringmagnete 5 unter sich und ihre Verknüpfungsbereiche
mit der Seitenwand der erwähnten,
ringförmigen
Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Magnetleitungsfassung
miteinander verklebt. Hierzu werden die einteiligen Ringmagnete 5 vor dem
Einpressen in die Ringfassung 2 der Magnetleitung und die
Seitenwand der ringförmigen
Aussparung „a” in der
Seitenwand 4 der ringförmigen
Fassung mit dem entsprechenden Klebstoff versehen (in der Zeichnung
nicht abgebildet).
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Die
ringförmige,
magnetische Einlage ist aus einer Gruppe gleicher, einteiliger Ringmagnete 5 mit im
Kreis angeordneten, wechselnden Polen hergestellt. Die Ringmagnete
werden in der erwähnten
Ringaussparung „a” angeordnet.
Die Ringaussparung ist in der seitlichen Innenwand 4 der
ringförmigen
Fassung 2 vorgesehen. Der verfahrenstechnische Hilfsring
in einem Sonderinduktor der Anlage zur Aufmagnetisierung der Ringmagnete
(in der Zeichnung ebenfalls nicht abgebildet) wird nach Abschluss
des Magnetisierungsvorgangs aus dem verfahrenstechnischen Hilfsring
herausgepresst und in die Ringfassung 2 der Magnetleitung
bis zum jeweiligen Anschlag eingepresst. Danach wird der Vorgang
wiederholt. Der nächste
einteilige, ringförmige
Magnet 5 aus einem pulverartigen, magnetisch anisotropen Material
wird in einem Sonderinduktor der Anlage zur Aufmagnetisierung magnetisiert.
Er wird aus dem verfahrenstechnischen Hilfsring herausgepresst.
Danach wird er in die Ringfassung 2 der Magnetleitung bis
zum Anschlag gegen den vorhergehenden einteiligen ringförmigen Magnet 5 bis
zum Anschlag gegen seine Stirnfläche „b” eingepresst.
Danach wiederholt sich der Vorgang wiederum, bis in der ringförmigen Fassung 2 der
Magnetleitung (d. h. in der ringförmigen Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4) eine durchgehende, ringförmige, magnetische
Einlage (Bund) zusammengesetzt ist. Diese Einlage besteht aus den
einteiligen Ringmagneten 5. Die gleichnamigen, im Kreis
angeordneten, wechselnden Magnetpole (S-N) sind in dieser Ein lage
in den angrenzenden, einteiligen Ringmagneten kongruent zueinander
angeordnet und liegen in denselben Radialebenen.
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Zur
Festigkeitserhöhung
und um die Zuverlässigkeit
der Befestigung der einteiligen Ringmagneten 5 zu erhöhen, sind
die Verknüpfungsbereiche der
einteiligen Ringmagnete 5 unter sich und ihre Verknüpfungsbereiche
mit der Seitenwand der erwähnten,
ringförmigen
Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Magnetleitungsfassung
verklebt. Hierzu werden die einteiligen Ringmagnete 5 vor
dem Einpressen in die Ringfassung 2 der Magnetleitung und
die Seitenwand der ringförmigen
Aussparung „a” in der
Seitenwand 4 der ringförmigen
Fassung mit dem entsprechenden Klebstoff versehen.
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Die
ringförmige,
magnetische Einlage ist aus einer Gruppe gleicher, einteiliger Ringmagnete 5 mit kreisförmig angeordneten,
wechselnden Polen hergestellt. Die Ringmagnete werden in der erwähnten Ringsaussparung „a” angeordnet.
Die Ringaussparung ist in der seitlichen Innenwand 4 der
ringförmigen
Fassung 2 der Magnetleitung angeordnet. Diese Bauweise
stellt die Betriebssicherheitserhöhung des Rotors der Dauermagnetmaschine
sicher. Das liegt daran, dass die einteiligen Ringmagnete 5 einen
sehr hohen, mechanischen Sicherheitsgrad aufweisen. Die hohen Fliehkräfte wirken
auf die zusammengesetzte, ringförmige,
magnetische Einlage mit Dauermagneten ein und streben danach, die
magnetische Einlage zu verformen bzw. zu zerreißen. Diese Fliehkräfte verursachen
jedoch keine derartigen Spannungen in der Einlage, die ihren Sicherheitsgrad überschreiten
würde.
Die Spannungsverteilung weist keine Sprünge bzw. starken Gefälle (beim
Spannungsverlauf) im Verknüpfungsbereich
der einteiligen Ringmagneten 5 und der Seitenwand der ringförmigen Aussparung „a” in der
seitlichen Innenwand 4 der ringförmigen Fassung 2 der
Magnetleitung auf. Ein zusätzlicher
Vorteil des Rotors der vorliegenden Erfindung ist eine Erweiterung
der Rotorbetriebsparameter. Dies ist dadurch bedingt, dass die breite,
ringförmige,
magnetische Einlage aus einer Gruppe von relativ schmalen, gleichen, einteiligen
Ringmagneten 5 zusammengebaut wird. Diese Bauweise ermöglicht,
den gesamten, magnetischen Fluss innerhalb eines weiten Bereichs
zu variieren, je nach erforderlicher Wirkleistung der Dauermagnetmaschine.
Es wird auch möglich,
die Gleichmäßigkeit
des Magnetfelds zu verbessern und zu erweitern sowie seine Stärke zu erhöhen. Folglich
kann auch die elektrische Wirkleistung des Generators mit permanentem
Feld direkt erhöht
werden. Dabei werden gleichzeitig das Gewicht und die Größe sowohl
des Rotors selbst als auch des Generators verbessert. Es entsteht
also zusätzlich
die Möglichkeit,
den Betriebsaufwand in Zusammenhang mit der Herstellung des Rotors
der Dauermagnetmaschine zu vermindern. Die Kostensenkung erfolgt
aufgrund einer Magnetisierung der einteiligen Ringmagneten 5 in
konventionellen Induktoren der Magnetisieranlagen. Diese Anlagen
haben dementsprechend keine speziell vorgegebenen, einzigartigen
Kennwerte, beispielsweise in Bezug auf die benötigte Impulsstromgröße, der
die erforderliche magnetische Feldstärke beim Induktor sicherstellt, oder
in Bezug auf die Wärmedurchgangskennwerte des
speziellen Kühlsystems
für Stromanschlüsse und
für Entladekreise.
Dieses Kühlsystem
ist zur Ableitung hoher Wärmeströme erforderlich,
die in den Stromanschlüssen
und in den Entladekreisen während
der Magnetisierung entstehen.