DE3050453C2

DE3050453C2 - Rotor of a high-speed electrical machine

Info

Publication number: DE3050453C2
Application number: DE19803050453
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Advolotkin; Nikolaj Lebedev; Igor Evgen Evic Ovolnnikov
Original assignee: OVOLNNIKOV IGOR'EVGEN'EVIC
Current assignee: OVOLNNIKOV IGOR'EVGEN'EVIC
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1987-06-11
Also published as: GB2091952B; GB2091952A; JPS57500958A; DE3050453T1; WO1982000069A1

Description

Die Erfindung betrifft Rotoren schnellaufender elektri scher Maschinen, wie sie z. B. zum Antrieb von Zentri fugen, Hochdruckpumpen und -lüftern, Bearbeitungsmaschinen und anderen schnellaufenden Einrichtungen verwendet wer den. Eine bei solchen Maschinen immer aktuelle Aufgabe besteht in der Erhöhung ihrer Drehzahl, was bei gleicher Leistung der Maschine eine Verringerung der Abmessungen und der Gewichte gestattet.The invention relates to rotors of high-speed electri shear machines such as B. to drive centri joints, high pressure pumps and fans, processing machines and other high-speed facilities the. A task that is always topical for such machines consists in increasing their speed, which is the same Machine performance a reduction in dimensions and the weights allowed.

Die Erfindung geht aus von einem Rotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Bauart, wie er aus der DE-AS 19 42 855 bekannt ist. Ein solcher Rotor mit ganz teiligem, ungenutetem Eisenkern mit Dauermagneten und einem Kappenring ist deshalb von Vorteil, weil in ihm praktisch keine elektromagnetischen Verluste auftreten und der von den Dauermagneten erzeugte magnetische Fluß aufwendige Maßnahmen zur Erregung der elektrischen Maschi ne entbehrlich macht. Demzufolge haben solche schnellaufen den elektrischen Maschinen mit dem angegebenen Rotor einen hohen Wirkungsgrad. Der hohe Wirkungsgrad der schnellaufen den elektrischen Maschine gewährleistet einen Gewinn in bezug auf die Ausmaße des Rotors für Maschinen mit glei cher Leistung und Drehzahl, d. h. die Abmessungen des Ro tors mit Dauermagneten sind geringer und es fallen also die mechanischen Beanspruchungen in ihm geringer aus. The invention is based on a rotor in the preamble of claim 1 specified type as it from the DE-AS 19 42 855 is known. Such a rotor with whole Partial, not grooved iron core with permanent magnets and A cap ring is beneficial because in it practically no electromagnetic losses occur and the magnetic flux generated by the permanent magnets elaborate measures to excite the electrical machine ne dispensable. As a result, such have run fast the electrical machines with the specified rotor high efficiency. The high efficiency of running fast the electrical machine ensures a profit in with respect to the dimensions of the rotor for machines with the same power and speed, d. H. the dimensions of the ro Tors with permanent magnets are smaller and therefore fall the mechanical stresses in it are less.

Bei der bekannten Ausbildung sind die bekannten Magnete mit dem Eisenkern mittels einer Klebemittelschicht ver bunden und der Kappenring ist auf die Magnete aufgeschrumpft. Dadurch bilden der Kappenring, die Dauermagnete und der Eisenkern, die auf der Welle konzentrisch zueinander an geordnet sind, infolge der Vorspannung zwischen dem Eisen kern und den Dauermagneten sowie zwischen den Dauermagneten und dem Kappenring ein vorgespanntes System. Bei der Drehung des Rotors kommen zu den Spannungen, die in seinen Elementen infolge der Vorspannung entstehen, Spannungen hinzu, die durch die Fliehkräfte hervorgerufen werden. Diese zusätzli chen Spannungen steigen mit der Vergrößerung der Drehzahl des Rotors an, wobei die maximalen Spannungswerte im Kap penring auftreten, der am weitesten von der Rotorachse ent fernt ist. Die Zugkräfte, die sich mit der Vergrößerung der Drehzahl des Rotors verstärken, vermindern die Vor spannung und damit die durch die Vorspannung erzeugte Spannung im Kappenring, d. h. es geschieht eine Umvertei lung der Spannungen (die Spannungen von der Wirkung der Fliehkräfte steigen an und die Spannungen von der Vor spannung verringern sich). Die Restvorspannung, die als Differenz zwischen der ursprünglichen Vorspannung und den Zugkräften bei fixierter Drehzahl des Rotors definiert wird, muß zusammen mit der Klebemittelschicht die Über tragung des Drehmoments von der Welle auf die Dauermagnete gewährleisten. Die Klebemittelschicht verringert somit etwas die Größe der erforderlichen Vorspannung. In the known training, the known magnets ver with the iron core using an adhesive layer tied and the cap ring is shrunk onto the magnets. This forms the cap ring, the permanent magnets and the Iron core concentric with each other on the shaft are ordered, due to the prestress between the iron core and the permanent magnet and between the permanent magnet and the cap ring a preloaded system. When turning of the rotor come to the tensions in its elements as a result of the preload, stresses are added that caused by the centrifugal forces. This additional Chen voltages increase with increasing speed of the rotor, with the maximum voltage values in Chap penring occur the furthest from the rotor axis is far away. The tensile forces that deal with the enlargement increase the speed of the rotor, reduce the forward voltage and thus the one generated by the preload Tension in the cap ring, d. H. there is a redistribution tensions (the tensions from the effect of the Centrifugal forces increase and the tension from the front voltage decrease). The residual bias that as Difference between the original preload and the tensile forces at a fixed speed of the rotor together with the adhesive layer, the over torque transmission from the shaft to the permanent magnets guarantee. The adhesive layer thus reduces something the size of the pretension required.

Bei der Drehung des Rotors wird das thermoplastische Klebemittel durch den Maschinenbetrieb und die aerody namischen Verluste erwärmt und vergrößert sein Volumen. Dies kompensiert teilweise verschiedene technologische Fehler, zufällige Temperaturabweichungen und desgleichen, was es gestattet, die Reserve in bezug auf die Größe der minimalen Restvorspannung zu vermindern, und das gibt wiederum die Möglichkeit, die Spannungen herabzusetzen, die durch die Restvorspannung bestimmt werden. Auch dies erlaubt eine Erhöhung der Drehzahl des Rotors.When the rotor rotates, it becomes thermoplastic Adhesives from machine operation and aerody Namely losses warmed and increased its volume. This partially compensates for various technological Errors, random temperature deviations and the like, which allows the reserve in relation to the size of the to reduce minimal residual bias, and that gives again the opportunity to reduce tensions which are determined by the residual prestress. This too allows the rotor speed to be increased.

Begrenzend bleibt jedoch für die Drehzahl des Rotors die zulässige Spannung im Kappenring, zu der auch die Spannungen gehören, die durch die Restvorspannung be stimmt werden.However, the speed of the rotor remains the limiting factor permissible tension in the cap ring, to which the Tensions include be caused by the residual bias be true.

Eine Befestigung von Dauermagneten nur an ihrem Außenum fang durch einen sie umfassenden Ring ist an sich aus der CH-PS 4 15 816 bekannt. Hier handelt es sich aber um Maschinen mit stirnseitig oder innerhalb des Rotors lie gendem Stator und der Ring dient als Magnetleiter. Auch kann die Verbindung zwischen dem Ring und der Welle zu örtlichen Spannungsungleichmäßigkeiten führen.Fixing permanent magnets only on their outer circumference catch through a ring surrounding it is in itself the CH-PS 4 15 816 known. But this is about Machines with face or inside the rotor stator and the ring serves as a magnetic conductor. Also can the connection between the ring and the shaft too local voltage irregularities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer schnellaufenden elektrischen Maschine mit Dauer magneten zu schaffen, der eine weitere Erhöhung der Dreh zahl des Rotors erlaubt. The invention has for its object a rotor a high-speed, long-lasting electrical machine create magnets that further increase the spin number of rotors allowed.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Rotor einer schnellaufenden Maschine der oberbegrifflich voraus gesetzten Bauart erfindungsgemäß durch die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is based on a rotor high-speed machine of the generic term ahead set type according to the invention by the in drawing part of claim 1 specified Features solved.

Die Verbindung des Kappenrings mit der Welle durch ra dial-elastische Rippen und die Befestigung der Dauer magnete am Kappenring mit einem Spaltabstand zum Eisen kern gestattet es, die Übertragung des Drehmoments von der Welle auf die Dauermagnete über den Kappenring ohne Vorspannung auszuführen und dadurch die Spannungen, die durch die Vorspannung bestimmt werden, auszuschließen. Es werden also die Spannungen, die bei der Drehung des Rotors im Kappenring entstehen, nur durch die Wirkung der Fliehkräfte bestimmt. Die geringeren Spannungen im Kappenring erlauben ihrerseits, die Drehzahl des Rotors zu erhöhen.The connection of the cap ring with the shaft by ra dial-elastic ribs and fixing the duration magnets on the cap ring with a gap distance to the iron core allows the torque to be transmitted from the shaft on the permanent magnets without the cap ring Execute preload and thereby the tensions that to be determined by the preload. So there are the tensions that arise when the Rotors in the cap ring are created only by the effect of centrifugal forces. The lower tensions in the cap ring in turn allow the speed of the Increase rotor.

Im gleichen Sinne wirken die einzelnen radial-elastischen Rippen zwischen der Nabe und dem Kappenring. Diese er möglichen eine wesentliche Verminderung der Übertragung von Zugkräften von der Nabe auf den Kappenring oder vom Kappenring auf die Nabe, wodurch die im Kappenring ent stehenden Spannungen weiter herabgesetzt werden. Das Vor handensein der Nabe gestattet dabei auch noch eine Erhöhung der Zentrierungsgenauigkeit des Kappenrings in bezug auf die Welle, wodurch die Sicherheit des Rotors verbessert wird. The individual radial-elastic act in the same sense Ribs between the hub and the cap ring. This he possible a substantial reduction in the transfer of tensile forces from the hub to the cap ring or from Cap ring on the hub, which ent ent in the cap ring standing voltages can be further reduced. The before presence of the hub also allows an increase the centering accuracy of the cap ring with respect to the shaft, which improves the safety of the rotor becomes.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind der Eisenkern und die Dauermagnete über die Länge des Rotors aus einzelnen Abschnitten ausgeführt, die in einem Abstand voneinander angeordnet werden, wobei die radial-elastischen Rippen zur Verbindung des Kappenrings mit der Welle zwischen diesen Abschnitten angebracht sind. Dies ergibt eine symmetrische Anord nung der Konstruktionselemente über die Länge des Rotors, was die Auswuchtung des Rotors erleichtert und Biegemomente, die auf die Welle wirken und zu Schwingungen des Rotors führen, beseitigen hilft. Dies erhöht die Sicherheit des Rotors und vereinfacht seinen Zusammenbau.In an expedient development of the invention the iron core and the permanent magnets over the length of the Rotors made of individual sections, which in a distance from each other, the radial elastic ribs for connecting the Cap ring with the shaft between these sections are attached. This results in a symmetrical arrangement design of the construction elements along the length of the rotor, which facilitates the balancing of the rotor and bending moments, which act on the shaft and cause vibrations of the rotor lead, eliminate helps. This increases the security of the Rotors and simplifies its assembly.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigtThe invention will hereinafter be described by the description an embodiment based on the drawings explained. It shows

Fig. 1 den Rotor einer schnellaufenden elektrischen Maschine gemäß der Erfindung im Längsschnitt; Figure 1 shows the rotor of a high-speed electrical machine according to the invention in longitudinal section.

Fig. 2 den Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1. Fig. 2 shows the section along the line II-II of FIG. 1,.

Der Rotor einer schnellaufenden elektrischen Maschine hat eine Welle 1, einen die Welle 1 umfassenden einstückigen, ungenuteten Eisenkern 2 und einen Kappenring 3, der mit der Welle 1 durch radial-elastische Rippen 9 verbunden ist, welche an ihren Innenenden einstückig in eine die Welle 1 umfassende Nabe 10 übergehen. The rotor of a high-speed electrical machine has a shaft 1 , a one -piece, non-grooved iron core 2 comprising the shaft 1 and a cap ring 3 which is connected to the shaft 1 by radially elastic ribs 9 , which are integrally integrated into a shaft 1 at their inner ends skip comprehensive hub 10 .

An der Innenoberfläche des Kappenrings 3 sind, zum Beispiel mit Hilfe eines Klebestoffs, Dauermagnete 6 befestigt, die in Form von bogenartigen Platten ausgeführt sind. Die Dauer magnete 6 sind unter Belassung eines Spalts 7 mit einem Ab stand in bezug auf den Eisenkern 2 angeordnet. Dieser durch den Spalt 7 gegebene Abstand wird so gewählt, daß eine Be rührung des Eisenkerns und der Dauermagnete beim Zusammen bau des Rotors und beim Betrieb der Maschine ausgeschlossen ist.On the inner surface of the cap ring 3 , for example with the help of an adhesive, permanent magnets 6 are attached, which are designed in the form of arc-like plates. The permanent magnets 6 are left with a gap 7 with a stand with respect to the iron core 2 arranged. This given by the gap 7 distance is chosen so that loading the iron core and the permanent magnets when assembling the rotor and when operating the machine is excluded.

Der Eisenkern 2 und die Dauermagnete 6 sind der Länge des Rotors nach aus einzelnen Abschnitten 8 zusammengesetzt, die in einem Abstand voneinander angeordnet werden. Die Verbindungsrippen 9 zwischen dem Kappenring 3 und der Welle 1 liegen zwischen den Abschnitten 8.The iron core 2 and the permanent magnets 6 are composed of individual sections 8 along the length of the rotor, which are arranged at a distance from one another. The connecting ribs 9 between the cap ring 3 and the shaft 1 lie between the sections 8 .

Die Anzahl der Abschnitte 8 hängt von der Länge des aktiven Teils des Rotors ab: je größer die Länge des aktivenTeils des Rotors ist, um so mehr Abschnitte 8 und Verbindungs stellen mit Rippen 9 müssen angeordnet werden. Für kurze Rotoren genügt ein einziger Abschnitt, wobei die Verbindungs rippen an einer der Stirnseiten angeordnet sein können.The number of sections 8 depends on the length of the active part of the rotor: the greater the length of the active part of the rotor, the more sections 8 and connection points with ribs 9 have to be arranged. A single section is sufficient for short rotors, and the connecting ribs can be arranged on one of the end faces.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Rotor aus sechs Abschnitten 8 und an drei Stellen ist der Kappenring 3 mit der Welle 1 durch radial-elastische Rippen 9 mit einer Nabe 10 verbunden. In the exemplary embodiment of the invention, the rotor consists of six sections 8 and at three points the cap ring 3 is connected to the shaft 1 by radially elastic ribs 9 with a hub 10 .

Jede radial-elastische Rippe 9 hat eine zickzackartige Form, wobei die Konfiguration der Rippe deren Drehung in radialer Richtung in den Grenzen des Elastizitäts bereichs um einen Wert gewährleistet, der die Differenz zwischen den Innendurchmessern des Kappenrings 3 in den verschiedenen Spannungszuständen bedeutend überschreitet.Each radially-elastic rib 9 has a zigzag-like shape, the configuration of the rib ensuring its rotation in the radial direction within the limits of the elasticity range by a value which significantly exceeds the difference between the inner diameters of the cap ring 3 in the different stress conditions.

Die radial-elastischen Rippen 9 setzen also die Über tragung der Zugkräfte, die in der Nabe 10 bei deren Aufschrumpfung auf die Welle entstehen, auf den Kappen ring 3 sowie die Übertragung der Spannungen, die im Kap penring 3 bei der Drehung des Rotors auftreten, auf die Nabe 10 wesentlich herab.The radial-elastic ribs 9 thus set the transmission of the tensile forces which arise in the hub 10 when they are shrunk onto the shaft, on the cap ring 3 and the transmission of the stresses which occur in the cap ring 3 during the rotation of the rotor, down to the hub 10 substantially.

Im Ausführungsbeispiel sind die radial-elastischen Rippen 9 als ein Ganzes mit dem Kappenring 3 und der Nabe 10 aus geführt; sie können aber auch an der Nabe 10 und am Kappen ring 3 starr, zum Beispiel mittels Schweißung befestigt werden.In the exemplary embodiment, the radially elastic ribs 9 are guided as a whole with the cap ring 3 and the hub 10 ; but they can also be rigidly attached to the hub 10 and the cap ring 3 , for example by welding.

Es sind auch andere Ausführungsbeispiele der radial-elasti schen Rippen möglich. Sie können beispielsweise durch das Herausarbeiten von Schlitzen aus einem scheibenartigen Steg entstehen.There are also other embodiments of the radial-elastic ribs possible. For example, you can use the Working out slits from a disc-like Bridge arise.

Die Nabe 10 gestattet eine Erhöhung der Zentrierungsge nauigkeit des Kappenrings in bezug auf die Welle, wo durch die Sicherheit des Rotors gesteigert wird. The hub 10 allows an increase in the Zentrierungsge accuracy of the cap ring with respect to the shaft, where is increased by the safety of the rotor.

Die in Abschnitte 8 unterteilte Ausführung des Eisenkerns 2 und der Dauermagnete 6 sowie die mehreren Verbindungsstellen des Kappenrings 3 mit der Welle 1 ermöglichen eine symmetri sche Verteilung der in den Konstruktionselementen entstehen den Kräfte über die Länge des Rotors und damit eine Steige rung seiner Sicherheit. Außerdem kann der Rotor in belie biger Länge des aktiven Teils ausgeführt werden.The divided into sections 8 design of the iron core 2 and the permanent magnets 6 and the multiple junctions of the cap ring 3 with the shaft 1 allow a symmetri cal distribution of the forces in the construction elements over the length of the rotor and thus an increase tion of its security. In addition, the rotor can be made in any length of the active part.

Im Betrieb des beschriebenen Rotors einer schnellaufenden elektrischen Maschine leitet eine nicht dargestellte An triebsmaschine ein Drehmoment in die Welle 1 ein, das über die Naben 10 und die Rippen 9 auf den Kappenring 3 und auf die am Kappenring 3 befestigten Dauermagneten 6 übertragen wird. Der Eisenkern 2 und die Dauermagnete 6 erzeugen bei der Drehung ein magnetisches Feld.In the operation of the described rotor of a high-speed electrical machine, a drive machine, not shown, introduces a torque into the shaft 1 , which is transmitted via the hubs 10 and the ribs 9 to the cap ring 3 and to the permanent magnets 6 fastened to the cap ring 3 . The iron core 2 and the permanent magnets 6 generate a magnetic field during rotation.

Bei der Drehung des Rotors entstehen in seinen Bauteilen Spannungen, die durch die Wirkung der Fliehkräfte bedingt sind, die sich mit dem Abstand von der Rotorachse vergrößern und bestrebt sind, die Bauteile des Rotors zu dehnen. Der Spaltabstand 7 zwischen den Dauermagneten und dem Eisenkern 2 schließt mechanische Einwirkungen des Eisen kerns 2 bei dessen Dehnung auf die Dauermagnete 6 aus.During the rotation of the rotor, stresses arise in its components which are caused by the effect of the centrifugal forces, which increase with the distance from the rotor axis and which endeavor to stretch the components of the rotor. The gap distance 7 between the permanent magnet and the iron core 2 excludes mechanical effects of the iron core 2 during its expansion on the permanent magnet 6 .

Die Verbindung des Kappenrings 3 mit der Welle 1 durch die radial-elastischen Rippen schließt eine ungleichmäßige Dehnung des Kappenrings 3 und der Dauermagnete 6 aus. Dadurch wird die Gefahr von Unwucht und Schwingungen be seitigt. Auch die Ausführung des Eisenkerns 2 und der Dauermagnete 6 aus einzelnen Abschnitten 8 vermindert diese Gefahren.The connection of the cap ring 3 to the shaft 1 by the radially elastic ribs precludes uneven expansion of the cap ring 3 and the permanent magnets 6 . This eliminates the risk of imbalance and vibrations. The execution of the iron core 2 and the permanent magnets 6 from individual sections 8 also reduces these dangers.

Die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte führen zu Zugkräften vom Kappenring 3 auf die Nabe 10. Diese radial gerichteten Kräfte wirken als Biegekräfte, die bestrebt sind, die Rippen geradezustrecken. Die Geradestreckung der Rippen geschieht dabei bei Kräften, die bedeutend geringer sind als die ihre Dehnung hervorrufenden Kräfte. Die Kräfte, die die Geradestreckung der Rippen hervorrufen, üben keine wesentliche Einwirkung auf die Spannungen im Kappenring 3 und in der Nabe 10 aus, da die Dehnung der Rippen bei de ren Geradestreckung die Vergrößerung des Durchmessers des Kappenrings 3 durch die Wirkung der Fliehkräfte nicht über schreitet. Die radial-elastischen Rippen 9 verringern also die Übertragung der Spannungen von der Nabe 10 auf den Kap penring 3 und vom Kappenring 3 auf die Nabe 10, was wieder um ermöglicht, die Drehzahl des Rotors zu erhöhen.The centrifugal forces that occur during operation lead to tensile forces from the cap ring 3 onto the hub 10 . These radially directed forces act as bending forces that tend to straighten the ribs. The straight stretching of the ribs occurs with forces that are significantly less than the forces causing their expansion. The forces that cause the straight lines of the ribs do not have any significant effect on the stresses in the cap ring 3 and in the hub 10 , since the elongation of the ribs in the straight line direction does not have the effect of increasing the diameter of the cap ring 3 due to the action of the centrifugal forces steps. The radially elastic ribs 9 thus reduce the transmission of the voltages from the hub 10 to the cap pen ring 3 and from the cap ring 3 to the hub 10 , which in turn enables the speed of the rotor to be increased.

Claims

1. Rotor of a high-speed electrical machine with a shaft, an iron core comprising the shaft, a cap ring and with permanent magnets arranged between the cap ring and the iron core, characterized in that the permanent magnets ( 6 ) on the inner surface ( 5 ) of the cap ring ( 3 ) are fixed with a gap ( 7 ) with respect to the iron core ( 2 ) and that the cap ring ( 3 ) is connected to the shaft ( 1 ) by radially elastic ribs ( 9 ) with a hub ( 10 ).

2. Rotor according to claim 1, characterized in that the iron core ( 2 ) and the permanent magnets ( 6 ) are made from in the longitudinal direction at a distance from each other sections ( 8 ) and the radial-elastic ribs ( 9 ) between these sections ( 8 ) lie.