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Die Erfindung betrifft einen Halter für Permanentmagneten einer permanent erregte Baugruppe, insbesondere Läufer, einer elektrischen Maschine, mit einem an der Baugruppe befestigbaren Magnetträger. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Bauteil, insbesondere Läufer einer elektrischen Maschine, mit einem solchen Halter sowie auf eine elektrische Maschine, insbesondere Generator, mit einem solchen Bauteil.
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Ein solcher Halter ist beispielsweise aus der
WO 2007/116118 A1 bekannt.
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Moderne elektrische Maschinen, wie sie beispielsweise als Generatoren in Windkraftanlagen eingesetzt werden, sind meist permanent erregte Maschinen. Das heißt, am Läufer der Maschine sind Permanentmagneten als magnetische Pole angebracht. Das Anbringen der Permanentmagneten an dem Läufer hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Dieses ist insbesondere dadurch begründet, dass die Permanentmagneten sehr spröde sind und leicht brechen. Es ist deshalb häufiger vorgekommen, dass die Permanentmagneten aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkräfte und der thermischen Spannungen gebrochen sind. Die Permanentmagneten sind deshalb nicht nur auf den Läufer geklebt worden, sondern der Läufer wurde zusätzlich auch noch mit einer Bandage umwickelt, um zu verhindern, dass sich Bruchstücke von gebrochenen Permanentmagneten vom Läufer lösen konnten. Diese Art der Herstellung ist sehr aufwendig und teuer.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, sind in der Vergangenheit bereits Halter für Permanentmagneten entwickelt worden, die ihrerseits am Läufergrundkörper befestigbar sind. Konkret werden die Permanentmagneten durch Klebung an einem Magnetträger befestigt. Anschließend werden die Permanentmagneten mit einer Kappe abgedeckt, die ihrerseits am Magnetträger befestigbar ist. Dabei werden die Permanentmagneten oft auch mit der Kappe verklebt, so dass sie allseits von Klebstoff umschlossen sind. Die Befestigung der Kappe an dem Magnetträger erfolgt meist durch Schrauben. Es ist aber auch bekannt, die Kappe durch Umbördeln oder Nieten oder dergleichen zu befestigen. Der in soweit vorbereitete Halter wird dann an dem Läufergrundkörper angebracht, meist indem der Magnetträger mit dem Läufergrundkörper verschraubt wird. Ein Beispiel für einen solchen Halter ist in der eingangs genannten
WO 2007/116118 A1 beschrieben worden. Da der in dieser Schrift beschriebene Magnetträger am Läufergrundkörper angeschraubt ist, lassen sich schadhafte Permanentmagneten oder Permanentmagneten, deren Magnetkräfte im Laufe der Zeit nachgelassen haben, auch sehr einfach und schnell austauschen.
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Die bekannten Halter verhindern, dass sich die Permanentmagneten oder Bruchstücke von brechenden Magneten nicht vom Läufer lösen können. Sie verhindern indes nicht, dass Permanentmagneten in Folge auf sie wirkender Kräfte brechen oder die Klebverbindung zwischen Magnetträger und Permanentmagnet versagt. Ein weiterer Nachteil dieser Halter besteht darin, dass aufgrund der Kappen im Luftspalt zwischen Stator und Läufer Abdeckungen für die Magneten und damit elektrisch leitendes Material vorhanden sind, welche Wirbelstromverluste verursachen. Ferner behindert die Abdeckung die Abfuhr von Wärme von den Permanentmagneten, was ihre thermische Belastung erhöht.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zu Grunde, einen Halter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Permanentmagneten sicher am Läufer gehalten werden und ein Versagen oder Teilversagen der, aufgrund von Normalspannungen, die für Klebverbindungen kritisch sind, sowie Wirbelstromverluste vermieden werden und die Abfuhr von Wärme von den Permanentmagneten verbessert wird.
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Zur Lösung dieses Problems ist der erfindungsgemäße Halter dadurch gekennzeichnet, dass an dem Magnetträger senkrecht zu einem Luftspalt zwischen Läufer und Stator der elektrischen Maschine verlaufende Bleche vorgesehen sind, mit denen wenigstens ein Permanentmagnet verklebt ist.
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Durch die sich etwa senkrecht zum Luftspalt zwischen Läufer und Stator der elektrischen Maschine erstreckenden Bleche besteht die Möglichkeit, die Permanentmagneten an ihren Stirnseiten und/oder Längsseiten zu verkleben. Die Klebstoffschicht zwischen den Blechen und dem Permanentmagneten wird durch die auf die Permanentmagneten einwirkenden Fliehkräfte nicht auf Zug belastet, sondern unterliegt einer Scherbelastung, wofür Klebstoffverbindungen besonders gut geeignet sind. Ferner sind die Permanentmagneten nicht abgedeckt. Im Luftspalt befindet sich also kein Material, und damit auch kein elektrisch leitendes Material, so dass Wirbelstromverluste vermieden werden. Ferner können die dem Luftspalt zugewandten Oberflächen der Permanentmagneten direkt mit Kühlluft beaufschlagt werden, so dass die Wärmeabfuhr verbessert ist.
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Auf einander gegenüberliegenden Seiten der Permanentmagneten ist vorzugsweise jeweils ein Blech vorgesehen. Die Bleche sind nach dieser Weiterbildung also einander gegenüber liegend angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein noch sicherer Halt, als wenn zum Beispiel ein Blech einer Längsseite eines Permanentmagneten und ein anderes Blech einer Stirnseite des Permanentmagneten zugeordnet wäre. Die Bleche sind dabei vorzugsweise in Axialrichtung des Läufers gesehen vor und hinter dem Permanentmagneten, also an den Stirnseiten des Permanentmagneten angeordnet (stirnseitige Bleche). Das heißt, die Bleche erstrecken sich in einer Ebene, die durch die Umfangsrichtung und die Radialrichtung des Läufers aufgespannt wird. Hier lassen sich die Bleche auf besonders einfache Weise am Magnetträger befestigen, zum Beispiel durch Schrauben. Zusätzlich oder alternativ können aber auch Bleche an den Längsseiten der Permanentmagneten, also in Axialrichtung des Läufers gesehen neben dem Permanentmagneten angeordnet sein. Diese Bleche würden sich also in einer Ebene erstrecken, die durch die Axialrichtung und die Radialrichtung des Läufers aufgespannt wird. Soweit diese Bleche zusätzlich zu den stirnseitigen Blechen vorgesehen sind, sollten die Bleche nicht untereinander verbunden sein. Dieses erhöht die Elastizität der Bleche, so dass diese thermische Spannungen aufgrund von Wärmedehnungen des Permanentmagneten aufnehmen können, indem sie sich elastisch biegen.
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Um einen gewissen formschlüssigen Halt für den Permanentmagneten zusätzlich zu der Klebstoffschicht zwischen den Blechen und dem Permanentmagneten zu erreichen, können die Bleche weiterhin mit einem Kragen ausgebildet sein, der den Permanentmagneten entsprechend formschlüssig umgreift. Ferner sollten die Permanentmagneten nicht nur mit den Blechen, sondern zusätzlich auch mit dem Magnetträger verklebt sein, um einen weiter verbesserten Halt zu bieten.
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Oft sind einem Magnetträger zwei oder mehr Permanentmagneten zugeordnet. Um thermische Spannungen aufgrund von Wärmedehnungen der Permanentmagneten zu vermeiden, sollte zwischen benachbarten Permanentmagneten eine Lücke verbleiben. Gegebenenfalls kann diese Lücke aber auch mit einem Klebstoff verfüllt werden.
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Als Klebstoff zum Verkleben der Permanentmagneten mit den Blechen und/oder mit dem Magnetträger und/oder zum Verfüllen der Lücke sollte ein weichelastischer Klebstoff verwendet werden. Ein solcher Klebstoff ist in der Lage, Wärmedehnungen auszugleichen und beugt somit thermischen Spannungen vor. Der Klebstoff sollte dabei zumindest bei Betriebstemperatur der elektrischen Maschine weichelastisch sein. Besonders günstig ist es, wenn er nicht nur bei der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine, sondern auch bei kalter Maschine weichelastischer ist. Unter einer kalten Maschine wird dabei verstanden, dass ihre Temperatur der üblicherweise herrschenden niedrigsten Umgebungstemperatur entspricht. Mit einem solchen Kleber ist sichergestellt, dass der Kleber bei jeder Temperatur auch während des Anfahrens der elektrischen Maschine weichelastisch ist.
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Um einen magnetischen Kurschluss zu vermeiden, sollten die Bleche aus einem nichtmagnetischen Material, insbesondere einem nichtmagnetischen Metal, wie zum Bespiel Aluminium oder nichtmagnetischem Stahl, oder einem (Faserverbund-)Kunststoff hergestellt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Halter mit den Erfindungsmerkmalen in perspektivischer Ansicht,
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2 den Halter gemäß 1 in Unteransicht,
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3 den Halter gemäß 1 in Vorderansicht,
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4 den Halter gemäß 1 in Draufsicht,
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5 den Halter gemäß 1 im Querschnitt in der Ebene V-V gemäß 3,
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6 ein Detail VI aus 5 in vergrößertem Maßstab,
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7 ein Detail VII aus 5 in vergrößertem Maßstab,
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Halter mit den Erfindungsmerkmalen in perspektivischer Ansicht,
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9 den Halter gemäß 8 im Querschnitt in der Ebene IX-IX (das darin angegebene Detail VI entspricht dem in 6 dargestellten Detail VI aus 5),
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10 ein Detail X aus 9 in vergrößertem Maßstab, und
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11 den Halter gemäß 8 in Draufsicht.
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In den 1 bis 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Halter mit den Erfindungsmerkmalen dargestellt. Der Halter weist einen etwa quaderförmigen Magnetträger 20 auf. Dieser Magnetträger 20 weist eine oder mehrere Befestigungsmittel auf, um den Magnetträger 20 an dem Läufer zu befestigen. Im vorliegenden Fall sind an einer einem Läufer einer elektrischen Maschine zugewandten Unterseite 21 des Magnetträgers 20 zwei Gewindebohrungen 22 hierfür vorgesehen. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als Unterseite immer die Seite eines Bauteils verstanden, die dem Luftspalt zwischen Läufer und Stator der elektrischen Maschine abgewandt ist. Entsprechend wird unter Oberseite immer die dem Luftspalt zugewandte Seite verstanden. Selbstverständlich ist aber auch jede andere Verbindungstechnik zum Verbinden des Magnetträgers 20 an dem Läufer geeignet. Zum Beispiel kann der Magnetträger 20 in einer Schwalbenschwanznut im Läufergrundkörper geführt sein. Wichtig ist nur, dass der Magnetträger 20 lösbar am Läufergrundkörper befestigt ist.
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Die der Unterseite 21 gegenüberliegende Oberseite 23 ist dem Radius des Läufers angepasst und weist etwa mittig ein leicht erhöhtes Plateau 24 und zwei in Umfangsrichtung U des Läufers gesehen vom Plateau 24 rampenartig schräg abfallende Schultern 25 auf. Das Plateau 24 und die Schrägen 25 verlaufen dabei senkrecht zu einer radialen Ebene des Läufers, also tangential. Auf der Oberseite 23 des Magnetträgers 20 sind Permanentmagneten 26 angebracht, nämlich konkret mittels einer Klebstoffschicht 27 aufgeklebt. Im vorliegenden Fall sind in Umfangsrichtung U des Läufers drei nebeneinander liegende Permanentmagneten 26 vorgesehen. Aufgrund der besonderen Kontur der Oberseite 23 schmiegen sich die quaderförmigen Permanentmagneten 26 ebenfalls an den Radius des Läufers an.
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Als Klebstoff sollte ein Klebstoff verwendet werden, der sowohl bei kalter elektrischer Maschine als auch bei Betriebstemperatur weichelastisch ist. Hierdurch kann der Klebstoff unterschiedliche Wärmedehnungen des Magnetträger 20 einerseits und der Permanentmagneten 26 andererseits aufnehmen und verhindert so thermische Spannungen in den Permanentmagneten 26. Als besonders geeignet hat sich ein Silikonklebstoff erwiesen. In Tests haben sich 1-Komponenten und 2-Komponenten-Silikonklebstoffe als geeignet erwiesen.
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Zwischen benachbarten Permanentmagneten 26 ist eine Lücke 28 vorgesehen, die eine Wärmedehnung der Permanentmagneten 26 ermöglicht und so thermische Spannungen verhindert. Auch kann Kühlluft über die Lücke 28 zu den Seitenflächen der Permanentmagneten 26 geführt und so die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden. Alternativ können die Lücken 28 auch mit Klebstoff verfüllt werden. Hierfür wird vorzugsweise der selbe Klebstoff verwendet, der auch zum Ankleben der Permanentmagneten 26 an dem Magnetträger 20 verwendet wird.
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An den in axialer Richtung A des Läufers gesehenen Stirnseiten 29 und 30 des Magnetträgers 20 sind Bleche 31 und 32 angebracht. Diese können auf jede geeignete Weise mit dem Magnetträger 20 verbunden sein. Im vorliegenden Fall sind die Bleche 31, 32 mit dem Magnetträger 20 mittels Schrauben 33 verschraubt. Alternativ können die Bleche 31, 32 auch an dem Magnetträger 20 angenietet, angeschweißt, angelötet, angeklebt oder einstückig mit ihm verbunden sein.
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Die Bleche 31, 32 stehen über die Oberseite 23 des Magnetträgers 20 vor und bedecken auch die Stirnseiten der Permanentmagneten 26. Konkret erstrecken sich die Bleche 31, 32 in einer Ebene, welche durch die Radialrichtung R des Läufers und die Umfangsrichtung U des Läufers aufgespannt wird. Die Bleche 31, 32 können also als in Umfangsrichtung U verlaufend bezeichnet werden. Zusätzlich oder alternativ können auch Bleche vorgesehen werden, welche sich in einer Ebene erstrecken, die durch die Axialrichtung A des Läufers und die Radialrichtung R des Läufers aufgespannt werden, – sich also seitlich der Permanentmagneten 26 erstrecken. Diese Bleche können als in Axialrichtung A verlaufend bezeichnet werden. Gemeinsam ist diesen Blechen, dass sie sich senkrecht zum Luftspalt zwischen Läufer und Stator der elektrischen Maschine erstrecken. Die Bleche verlaufen also in Radialrichtung R des Läufers und bedecken dementsprechend in Radialrichtung R verlaufende Seitenwände der Permanentmagneten 26. Mit anderen Worten: die auf die Permanentmagenten 26 einwirkenden Fliehkräfte verlaufen in den Ebenen der Bleche bzw. parallel dazu. Sollten sowohl in Umfangsrichtung U als auch in Axialrichtung A verlaufende Bleche vorgesehen sein, sollten diese nicht miteinander verbunden sein, um eine elastische Biegung dieser Bleche aufgrund von Wärmedehnungen der Permanentmagneten 26 zu ermöglichen.
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Auch zwischen den Blechen 31, 32 und den Permanentmagneten 26 ist eine Klebstoffschicht 34 vorgesehen. Der hierfür verwendete Kleber ist wieder der selbe Kleber, der auch zum Ankleben der Permanentmagneten 26 am Magnetträger 20 verwendet wird.
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Um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden, sollten die Bleche 31, 32 aus einem nichtmagnetischen Material, wie Aluminium oder nichtmagnetischem Stahl, hergestellt sein. Auch Faserverbundwerkstoffe oder andere hinreichte feste Kunststoffe sind geeignet.
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In den 8 bis 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Halter mit den Erfindungsmerkmalen dargestellt. Dieser Halter entspricht im Wesentlichen dem Halter gemäß in 1 bis 7. Gleiche Bauteile sind deshalb mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 8 bis 11 unterscheidet sich von dem obigen Ausführungsbeispiel lediglich durch die Bleche 35, 36. Im Gegensatz zu den Blechen 31, 32 sind die Bleche 35, 36 bis über die oberen Kanten der Permanentmagneten 26 geführt und unter Bildung eines Kragens 37 aufeinander zu, also zu dem Permanentmagneten 26 hin, umgebördelt. Hierdurch werden die Permanentmagneten 26 zusätzlich zu der Klebstoffschicht 27 auch formschlüssig gehalten. Ferner sind die Bleche 35, 36 auch an den äußeren Kanten jeweils zu einem Kragen 38 umgebördelt.
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Jedem Permanentmagneten 26 ist gleichsam ein eigener Kragen 37 zugeordnet. Kragen 37 benachbarter Permanentmagneten 26 sind durch eine Lücke 39 voneinander beabstandet. Auch sind die Kragen 37 und 38 nicht miteinander verbunden, sondern durch eine Kehle 40 voneinander getrennt. Dieses hat im Wesentlichen fertigungstechnische Gründe.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Magnetträger
- 21
- Unterseite
- 22
- Gewindebohrung
- 23
- Oberseite
- 24
- Plateau
- 25
- Schulter
- 26
- Permanentmagneten
- 27
- Klebstoffschicht
- 28
- Lücke
- 29
- Stirnseiten
- 30
- Stirnseite
- 31
- Bleche
- 32
- Blech
- 33
- Schraube
- 34
- Klebstoffschicht
- 35
- Bleche
- 36
- Blech
- 37
- Kragen
- 38
- Kragen
- 39
- Lücke
- 40
- Kehle
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/116118 A1 [0002, 0004]
