DE3943237A1 - Permanentmagneterregte elektrische maschine, insbesondere hoher drehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere hoher Drehzahl, bei der die auf dem Läuferballen des Rotors angeordneten Dauermagnete und Füllstücke aus unmagnetischem Material durch eine im Luftspalt liegende Bandage aus hochfestem, faserverstärktem, insbesondere kohlenstoffverstärktem, Kunststoff gehalten sind.

Eine derartige permanentmagneterregte elektrische Maschine ist aus der DE-OS-32 24 904 bekannt. Da hochremanente Permanent­ magnete wegen ihrer inneren Gefügestruktur nicht als tragendes Material verwendet werden können sondern empfindlich gegen Stoßbelastungen und Zugspannungen sind, werden die zur Erregung der bekannten elektrischen Maschine dienenden Dauermagnete und die Füllstücke aus unmagnetischem Material für die Pollücken auf dem Läuferballen des Rotors entweder mit einem Mantel aus hochfesten, unmagnetischen Metallen oder durch eine Bandage aus faserverstärktem, insbesondere kohlenstoffverstärktem Kunst­ stoff (CFK) jeweils unter Vorspannung zusammengehalten. Bei der bekannten Maschine wird die Vorspannung des Mantels bzw. der Bandage entweder durch eine Verkeilung oder durch den Fadenzug beim Wickeln der Bandage hergestellt. Eine Verkeilung ist aufwendig und einer Erhöhung der Bandagendicke sind durch die elektrisch vorgeschriebenen Maximalabmessungen des Luftspaltes zwischen dem Ständer und dem Rotor der elektrischen Maschine, in dem sich die Bandage befindet, Grenzen gesetzt.

Deshalb lassen sich gerade bei hochtourigen permanentmagnet­ erregten elektrischen Maschinen, deren Dauermagnete auf dem Läuferballen durch eine Kunststoffbandage gehalten sind, Un­ wuchten durch unsymmetrische radiale Verlagerungen der Dauer­ magnete bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten nicht mit Sicher­ heit vermeiden, weil sich der Verband Kunststoffbandage-Dauer­ magnete bei Fliehkraft stärker dehnt als der Läuferballen. Dadurch entsteht ein Spalt zwischen den Dauermagneten und dem Läuferballen, der zu veränderlichen Unwuchten führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Unwuchten zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung die äußere der Bandage zugewandte Oberfläche des Läuferballens durch mehrere Aussparungen, die sich über die gesamte axiale Länge erstrecken, in Umfangrichtung unterteilt und durch besondere konstruktive Maßnahmen ist die Dehnsteifig­ keit der Teilbereiche des Läuferballens in radialer Richtung angenähert der Dehnsteifigkeit der Bandage mit den Dauermagne­ ten angepaßt. Es wird also nicht, wie bisher üblich, die Vor­ spannung des die Dauermagnete festhaltenden Mantels bzw. der Bandage erhöht, sondern der Läuferballen wird an der äußeren Oberfläche durch Aussparungen in mehrere in Umfangsrichtung aufeinander folgende Teilbereiche unterteilt, so daß bei Aufweitung durch Fliehkraftbeanspruchungen dort keine Tangen­ tialspannungen auftreten können. Die Teilbereiche sind jeweils durch konstruktive Maßnahmen in die Lage versetzt, der Aufwei­ tung der Kunststoffbandage und der Dauermagnete elastisch spielfrei zu folgen, so daß die Zentrierung der Dauermagnete auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten beibehalten wird. Eine derartig ausgebildete Maschine kann daher mit Vorteil zum getriebelosen Antrieb hochtouriger Arbeitsmaschinen eingesetzt werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Anpassung der in radialer Richtung wirkenden Dehnsteifigkeit der Teilbereiche des Läuferballens dadurch erreicht werden, daß der radial außenliegende Teil der Aussparungen jeweils einen Schlitz bildet, der auf der der Bandage zugewandten Oberfläche des Läuferballens einmündet, während der radial innenliegende Teil der Aussparung erweitert ist und eine abgerundete Kontur mit ausreichend großem Kerbradius aufweist. Die äußere Oberfläche des Läuferballens wird somit von den Schlitzen unterbrochen und die verbleibenden Stege zwischen den Aussparungen können den Beanspruchungen durch die Fliehkraft durch Biegung nachgeben und somit dem Verformungsweg der Bandage mit den Dauermagneten spielfrei folgen, ohne daß zu hohe Spannungsbeanspruchungen im Läuferballen entstehen. Durch die abgerundete Kontur der radial innenliegenden Erweiterungen der Aussparungen ist außerdem ein kerbspannungsarmer Übergang vom unterbrochenen Bereich zum ungeteilten Bereich des Läuferballens bewirkt.

Die Anzahl und die Form der Aussparungen und insbesondere die Länge und Form der Schlitze wird so ausgewählt, daß die Teilbe­ reiche des Läuferballens geringfügig weicher sind als die Bandage, damit bei allen Betriebsdrehzahlen bzw. Umfangsge­ schwindigkeiten immer ein Restanpreßdruck der Dauermagnete an den Läuferballen gewährleistet ist. Dabei empfiehlt es sich, daß die Schlitze in den Bereich der Pollücke einmünden.

Mit Vorteil können die Schlitze in der Radialebene eine gekrümmte Kurvenform aufweisen, die an der Einmündung in die Oberfläche des Läuferballens angenähert tangential gerichtet ist. Die zwischen den Schlitzen liegenden Teilbereiche des Läuferballens können dann speichenähnlich bei Fliehkraftbe­ lastung durch leichtes Verdrehen gegenüber dem Innendurchmesser ein Aufgehen des Außendurchmessers des Läuferballens hervorru­ fen, ohne daß dabei übermäßige Tangentialbeanspruchungen auftreten.

Es ist zweckmäßig, den Läuferballen bei derartig geformten Schlitzen als geblechten Körper auszuführen, der mithin aus Dynamoblechen zusammengesetzt ist, die gestanzt und/oder geschnitten sein können. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung der Aussparungen mit den komplizierten Formen der Erweiterung und der Schlitze (z. B. durch Erodierung) sondern ermöglicht auch eine einfache Aufnahme der Verformungsenergie bei der Fliehkraftbeanspruchung über eine Biegung über die hohe Kante des Blechsteges zwischen den Schlitzen. Der radial innenliegende Teil des Bleches des Läuferballens ist somit nicht so hochbeansprucht wie der einer geschlossenen Scheibe.

Es empfiehlt sich außerdem, insbesondere bei radial in die äußere Oberfläche des Läuferballens einmündenden Schlitzen, zusätzlich zu den abgerundeten Erweiterungen der Aussparungen im Läuferballen weitere abgerundete Aussparungen vorzusehen, die jeweils auf einem kleineren Radius liegen als die Erweite­ rungen der ersten Aussparungen und zu diesen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Auch diese zusätzlichen abgerundeten Aussparungen sind als Entlastungsöffnungen zur Kerbminderung und Senkung der Dehnsteifigkeit des Läuferballens wirksam. Haben diese zusätzlichen Aussparungen eine längliche Erstreckung in Umfangsrichtung, so entstehen sich in Umfangsrichtung er­ streckende biegebalkenähnliche Federn, die in radialer Richtung besonders weich sind.

Die Anzahl der Aussparungen und deren Kurvenform wird so gewählt werden, daß sich möglichst eine gleiche Beanspruchung des Läuferballens in allen Querschnitten ergibt und daß die Führung des magnetischen Erregerfeldes nicht beeinträchtigt ist. Die Bleche des Läuferballens sollten im Idealfall unter der Fliehkraft genausoweit aufgehen wie die Bandage mit den Dauer­ magneten. Auch die Schlitzbreiten über dem Radius können in Verbindung mit dem Vorspannen der Bandage so gewählt werden, daß bei Stillstand die Schlitze durch die Vorspannung der Bandage zusammengedrückt werden, so daß die Spannungsbean­ spruchung bei der Nenndrehzahl reduziert ist.

Zur spielfreien Führung der Dauermagnete und Füllstücke am Läuferballen können als weitere alternative Ausführung der Erfindung in den zur äußeren Oberfläche hin offenen Aussparun­ gen, welche die Teilbereiche des Läuferballens bilden, jedoch auch radial wirkende Federelemente angeordnet sein, die sich zwischen dem Läuferballen und den Dauermagneten bzw. Füll­ stücken abstützen. Durch die Federkraft wird dann die Entstehung von Unwuchten vermieden.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung jeweils schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils einen Teil eines Radialschnittes durch den gemäß der Erfindung ausgebilde­ ten Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine hoher Drehzahl. Für gleiche Teile sind jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Der Rotor 1 einer permanentmagneterregten hochtourigen elektri­ schen Maschine besteht aus einem auf der Welle 2 angeordneten Läuferballen 3 aus magnetischem Material, der zur Leitung des magnetischen Flusses dient. Der Läuferballen 3 kann massiv aus­ gebildet sein, aus Stahl bestehen oder sich aus Dynamoblechen zusammensetzen.

Zur Erzeugung des magnetischen Flusses sind auf der äußeren Oberfläche 4 des Läuferballens 3 ringsektorförmige Dauer­ magnete 5 angordnet, zwischen denen ebenfalls ringsektorförmige Füllstücke 6 aus unmagnetischem Material, wie z. B. Aluminium, angeordnet sind, welche die Pollücken bilden. Diese Dauermagne­ te 5 und Füllstücke 6 werden auf der Oberfläche 4 des Läufer­ ballens 3 durch eine Bandage 7 gehalten, die aus Kunststoff besteht, der mit Kohlenstoffasern verstärkt ist (CFK) und in ausgehärtetem Zustand eine hochfeste, unter Vorspannung stehen­ de Bandage 7 bildet, welche die Dauermagnete 5 und Füllstücke 6 fest gegen die Oberfläche 4 des Läuferballens 3 preßt.

In Fig. 1 ist der Bohrungsdurchmesser 8 des nicht dargestell­ ten Ständers der Maschine durch einen Kreisbogen angedeutet.

Die Bandage 7 liegt innerhalb des durch Pfeile angedeuteten elektrischen Luftspaltes 9 der Maschine, so daß infolge der durch die gewünschte Festigkeit und Vorspannung bedingten notwendigen Dicke der Bandage 7 nur ein wesentlich kleinerer, ebenfalls durch Pfeile angedeuteter, mechanischer Luftspalt 10 verbleibt. Die Mindestgröße dieses mechanischen Luftspaltes 10 ist durch die Aufweitung des Rotors 1 infolge Fliehkraftbean­ spruchung bei der Maximaldrehzahl der permanentmagneterregten elektrischen Maschine vorgegeben.

Bei diesem Rotor 1 sind die ringsektorförmigen Dauermagnete 5 und die Füllstücke 6 keine tragenden Bauelemente, da die Dauer­ magnete 5 aus einem verhältnismäßig spröden Material hoher magnetischer Remanenz bestehen. Die Dauermagnete 5 und Füll­ stücke 6 folgen deshalb während des Betriebes der permanent­ magneterregten elektrischen Maschine der durch die Fliehkraft bedingten Aufweitung der Bandage 7.

Damit dabei auch bei maximaler Drehzahl kein Spalt zwischen der Oberfläche 4 des Läuferballens 3 und den Dauermagneten 5 bzw. Füllstücken 6 auftreten kann, der Unwuchten zur Folge haben würde, sind in dem Läuferballen 3 radial außenliegend mehrere Aussparungen 11 vorgesehen, die sich über die gesamte axiale Länge des Läuferballens 3 erstrecken und mit Schlitzen 12 in die äußere Oberfläche 4 des Läuferballens 3 münden. Dadurch wird der Läuferballen 3 in mehrere, in Umfangsrichtung aufein­ anderfolgende Teilbereiche 13 unterteilt, die einer Aufweitung ohne Tangentialbelastung der äußeren Oberfläche 4 folgen. Radial innenliegend enthalten diese Aussparungen 11 weiterhin jeweils abgerundete Erweiterungen 14, deren Kontur einen ausreichend großen Kerbradius aufweist. Die Erweiterungen 14 sind deshalb bei diesem Ausführungsbeispiel als Bohrungen 15 ausgestaltet, von denen die radial gerichteten Schlitze 12 ausgehen.

Zusätzlich zu den ersten, in die äußere Oberfläche einmünden­ den Aussparungen 11 sind noch als weitere abgerundete Ausspa­ rungen auf einem kleineren Radius liegende Bohrungen 16 vorge­ sehen, die mithin zu den Bohrungen 15 radial innen liegen und in Umfangsrichtung gegenüber diesen versetzt sind und als Ent­ lastungsbohrungen wirken. Durch die Bohrungen 15, 16 und die radialen Schlitze 12 wird die Dehnsteifigkeit des Läufer­ ballens 3 gesenkt und somit der Dehnsteifigkeit der Bandage 7 angepaßt. Dadurch folgt die äußere Oberfläche 4 des Läuferbal­ lens 3 während des Betriebes der permanentmagneterregten elektrischen Maschine jeweils den Aufweitungen der Bandage 7, so daß die Zentrierung der Dauermagnete 5 und der Füllstücke 6 unverändert beibehalten wird. Unwuchten können deshalb nicht entstehen.

Ein zweites, etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 2.

Auch hier sind in dem Läuferballen 3, der zwecks Vereinfachung der Fertigung aus gestanzten und geschnittenen Dynamoblechen 17 zusammengesetzt ist, abgerundete Aussparungen 11 vorgesehen, deren als Bohrungen 15 ausgebildete Erweiterungen 14 somit einen großen Kerbradius haben und von denen Schlitze 18 ausge­ hen. Diese Schlitze 18 verlaufen in der Radialebene gekrümmt und münden angenähert tangential gerichtet in den Bereich der Pollücke 19 ein, die ein Teil des Läuferballens 3 ist und sich zwischen den in Längsnuten 20 an der Oberfläche 4 des Läufer­ ballens 3 befindlichen Dauermagneten 5 erstreckt.

Die Dynamobleche 17 bilden dadurch in ihrem radial außerhalb der Bohrungen 15 liegenden Teilbereich 13 zwischen den gekrümm­ ten Schlitzen 18 speichenartige Arme 21, die sich bei Rotation des Rotors 1 durch Verbiegen radial nach außen aufweiten, ohne daß unzulässige Tangentialbeanspruchungen des Werkstoffes des Läuferballens entstehen.

Auch somit wird in einfacher Weise eine Aufweitung der äußeren Oberfläche 4 des Läuferballens 3 des Rotors 1 bei höheren Dreh­ zahlen erreicht, wobei die Anzahl und Abmessungen der Arme 21 so gewählt ist, daß die Aufweitung der Oberfläche 4 möglichst genau der Aufweitung der Bandage 7 aus Kunststoff entspricht, die Führung des magnetischen Feldes aber möglichst wenig behin­ dert. Dadurch ist dann eine radiale Verlagerung der Dauer­ magente 5 innerhalb der Längsnuten 20 nicht möglich und störende Unwuchten sind auch bei hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten vermieden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Form der nach­ giebigen Teilbereiche des Läuferballens abgewandelt.

Die Aussparungen 11 bestehen daher einerseits aus den radial gerichteten Schlitzen 12, welche in die äußere Oberfläche 4 des Läuferballens 3 einmünden und andererseits aus langgestreckten abgerundeten Erweiterungen 14, die in Umfangsrichtung verlaufen und deren in Umfangsrichtung liegende Begrenzungskanten 22 mit einem großen Radius abgerundet sind. Alle Teile der Aussparun­ gen 11 sind hierbei schlitzartig langgestreckt ausgebildet.

Dadurch steht in den radial außenliegenden Teilbereichen 13 des Läuferballens 3 zwischen den radial gerichteten Schlitzen 12 ein großer Querschnitt aus weichmagnetischem Material zur Führung des Erregerfeldes zur Verfügung. Trotzdem ist die Dehnsteifigkeit des Läuferballens 3 durch die in Umfangsrich­ tung verlaufenden, langestreckten abgerundeten Erweiterungen 14 sehr stark gesenkt.

Die Dehnsteifigkeit ist noch weiterhin dadurch vermindernd beeinflußt, daß auf einem kleineren Radius in Umfangsrichtung zu den abgerundeten Erweiterungen 14 versetzt angeordnete, langgestreckte, zusätzliche abgerundete Aussparungen 23 vorge­ sehen sind. Zwischen den langgestreckten Erweiterungen 14 der ersten Aussparungen 11 und den zusätzlichen ebenfalls langgestreckten Aussparungen 23 entstehen mithin balkenförmige Bereiche 24 des Läuferballens 3, welche wie eine Biegefeder diesem in Radialrichtung eine sehr große Nachgiebigkeit ver­ leihen, so daß die äußere Oberfläche 4 des Läuferballens 3 der Aufweitung der Bandage 7 leicht folgen kann und somit die spielfreie Führung der Dauermagnete 5 gewährleistet ist. Diese können in Längsnuten 20 der äußeren Oberfläche 4 angeordnet sein, wie dargestellt, oder auch mit Füllstücken 6 zur Bildung der Pollücke 19 unterhalb der Bandage 7 auf der äußeren Ober­ fläche 4 liegen.

Ein weiteres, etwas anders wirkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Fig. 4.

Hier besteht der Rotor der elektrischen Maschine aus einem massiven zylindrischen Läuferballen 3, der an den Stirnseiten in geeigneter Weise mit der nicht dargestellten Welle der permanentmagneterregten elektrischen Maschine verbunden ist. Die hier ebenfalls vorgesehenen ringsektorförmig ausgebildeten Dauermagnete 5 und Füllstücke 6 aus unmagnetischem Material sind von der Bandage 7 aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff gehalten. Unter jedem ringsektorförmigen Dauermagneten 5 bzw. Füllstück 6 sind im Läuferballen Aussparungen 11 vorgesehen, die zur Oberfläche 4 des Läuferballens 3 hin offen sind und diesen somit über die gesamte axiale Länge unterteilen. In diesen Aussparungen 11 liegen radial wirkende Federelemente 25, die sich zwischen den Dauermagneten 5 bzw. den Füllstücken 6 und dem Läuferballen 3 abstützen. Es können, wie in der Fig. 4 angedeutet über der axialen Länge des Rotors 1 jeweils mehrere Federelemente 25 hintereinanderliegen oder es kann eine sich über die gesamte axiale Länge erstreckende, z. B. gewellte Feder, verwendet sein.

Bei Rotation des Rotors 1 während des Betriebes der permanent­ magneterregten elektrischen Maschine folgen diese Federele­ mente 25 der Aufweitung der Bandage 7 und senken somit die Dehnsteifigkeit des Läuferballens 3, so daß die Zentrierung der Dauermagnete 5 und Füllstücke 6 erhalten bleibt und Unwuchten vermieden werden.

Claims (8)

1. Permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere hoher Drehzahl, bei der die auf dem Läuferballen (3) des Rotors (1) angeordneten Dauermagnete (5) und Füllstücke (6) aus unmagnetischem Material durch eine im Luftspalt (9) liegende Bandage (7) aus hochfestem, faserverstärkten, insbesondere kohlenstoffverstärktem, Kunststoff gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere der Bandage (7) zugewandte Oberfläche (4) des Läuferballens (3) durch mehrere Aussparungen (11), die sich über die gesamte axia­ le Länge erstrecken, in Umfangsrichtung in Teilbereiche (13) unterteilt ist und daß durch besondere konstruktive Maßnahmen die Dehnsteifigkeit der Teilbereiche (13) des Läuferballens (3) in radialer Richtung angenähert der Dehnsteifigkeit der Bandage (7) mit den Dauermagneten (5) angepaßt ist.

2. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radial außenliegende Teil der Aussparungen (11) des Läuferballens (3) jeweils einen Schlitz (12, 18) bildet, der auf der der Ban­ dage (7) zugewandten Oberfläche (4) des Läuferballens (3) ein­ mündet, während der radial innenliegende Teil der Ausspa­ rung (11) erweitert ist und eine abgerundete Kontur mit ausreichend großem Kerbradius aufweist.

3. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innenliegende Erweiterung (14) der Aussparung (11) als Bohrung (15) gestaltet ist.

4. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (12, 18) in den Bereich der Pollücke (19) einmünden.

5. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den in die Oberfläche (4) des Läuferballens (3) einmündenden Aussparungen (11) im Läuferballen (3) weitere abgerundete Aus­ sparungen (16, 23) vorgesehen sind, die jeweils auf einem klei­ neren Radius als die Erweiterungen (14) der ersten Aussparun­ gen (11) liegen und zu diesen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

6. Permanentmagenterregte elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (18) in der Radialebene eine gekrümmte Kurven­ form aufweisen, die an der Einmündung in die Oberfläche (4) des Läuferballens (3) angenähert tangential gerichtet ist.

7. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausspa­ rungen (11) radial wirkende Federelemente (25) enthalten, die sich an den Dauermagneten (5) bzw. Füllstücken (6) und den Läuferballen (3) abstützen.

8. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferballen (3) aus Dynamoblechen (17) zusammengesetzt ist.