DE69706330T2

DE69706330T2 - Klauenpolmagnetoelektrikläufer

Info

Publication number: DE69706330T2
Application number: DE69706330T
Authority: DE
Inventors: Alain Gueraud; Andre Masson; Jean-Charles Mercier
Original assignee: GEC Alsthom Moteurs SA
Current assignee: Converteam Motors SA
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1997-01-02
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2017-01-03
Also published as: EP0784368A1; KR970060633A; ZA97181B; CN1159088A; KR100256188B1; DE69706330D1; JP3818714B2; US5786652A; JPH09215232A; BR9700035A; FR2743455B1; PT784368E; CN1080945C; UA44276C2; HUP9700047A3; HU220413B; CZ8997A3; CA2194792A1; DK0784368T3; EP0784368B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelektrischen Rotor mit Klauen und im Speziellen einen magnetoelektrischen Rotor mit Klauen der für den Einsatz in einer schnellen Synchronmaschine vorgesehen ist.
Diese Rotoren mit Klauen sind aus einer Mehrzahl von amagnetischen und polarisierten befestigten magnetischen Elementen gebildet. Die Geschwindigkeiten, die bei gewissen schnellen Synchronmaschinen vorkommen, können gleich oder größer 50.000 U/min. sein. Dabei, wie weiter unten bezeichnet, sind diese Rotoren Anordnungen von Teilen, so dass die Konstrukteure der Rotoren mit Klauen danach trachten, Rotoren zu erzielen, die einen Widerstand gegen zentrifugales Splittern besitzen, der so hoch wie möglich ist, bei Aufrechterhaltung eines optimalen aerodynamischen Profils.
Es existieren einfache Rotoren. Ihre große Masse begrenzt ihre Rotationsgeschwindigkeit. Dabei ist die Zentrifugalkraft, die sich während der Rotation entwickelt, proportional zur bewegten Masse. Mit dieser Art von einfachem Rotor ist es notwendig, Montagetechniken vom Typ isostatische Kompressionen oder äquivalent einzusetzen, damit der Rotor der Zersplitterung bei gehobenen Funktionsgeschwindigkeiten widerstehen kann. Diese Montagetechniken sind teuer und schwer einsetzbar im Rahmen einer Serienproduktion. Darüberhinaus haben die konstitutiven Teile bei dieser Art von einfachem Rotor komplizierte Formen und ihre Montage ist nicht einfach.
Das französische Patent 2 087 516 beschreibt einen Rotor einer elektrischen Synchronmaschine ohne Kontakte, welche zwei Halbrotoren mit Klauen 2, 3 umfasst, die jeweils auf einem Querbalken in zwei Teilen 6, 7 aus einem magnetischen Material montiert sind, zusammengefügt durch ein Teil 8 aus einem amagnetischen Material.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einen kompakten Rotor mit Klauen vorzusehen, mit einfacher Konstruktion sowie durch bestehende Technologien, der bei großen Rotationsgeschwindigkeiten drehen kann.
Die Erfindung hat so den Gegenstand eines Rotors mit Klauen mit 2 N Polen, mit zwei Halbrotoren aus einem magnetischen Material, die durch zumindest ein Verbindungsstück aus amagnetischem Material montiert sind, wobei jeder Halbrotor N Klauen umfasst, die sich axial erstrecken, mit äquidistanten Winkelabständen, und zwischen sich einen freien Raum oder eine Einfassung definieren, wobei die zwei Halbrotoren eine gegensätzliche Polarität haben und gegenüber angeordnet sind, wobei die Klaue eines Halbrotors zwischen die Klauen des gegenüberliegenden Halbrotors mit gegensätzlicher Polarität geschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbrotoren einerseits aus einem ersten Monoblockteil aus magnetischem Material gebildet sind und andererseits durch ein zweites Monoblockteil der selben Form wie das erste, aus einem magnetischen Material, wobei der erste und zweite Teil die Klauen umfassen und jeweils einen axialen Stil umfassen, der eine Achse bildet, an welcher die Klauen des korrespondierenden Teils eingehängt sind, wobei die Verbindung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil durch amagnetischen Stege erfolgt, die zwischen den freien Enden der Klauen und dem Boden der Einfassung des gegenüberliegenden Halbrotors angeordnet sind, und dadurch, dass darüberhinaus amagnetische Einrichtungen zur Verkleidung des Rotors vorgesehen sind.
Vorteilhafterweise umfasst jede Klaue eine äußere Längsseite mit progressiven, radialen, magnetischen Luftspaltenbereichen.
Jede Klaue eines magnetischen Teils umfasst spitz zulaufende Innenseiten, deren Konvergenzpunkt in der Nähe des Zentrums der Einfassung angeordnet ist.
Jede Klaue umfasst eine polygonale Basis in Kontakt mit der axialen Nabe sowie ein spitzes freies Ende.
Der Rotor umfasst zumindest ein amagnetisches Monoblockteil mit mehreren Stegen, die als Verbindung mehrere Klauen dienen. In einer Ausführungsform umfasst der Rotor vorteilhafterweise doppelte amagnetische Stege, die ein direkte steife Verbindung zwischen den diametral gegenüber liegenden Klauen sicherstellen.
Ein erster Vorteil des Rotors gemäß der Erfindung resultiert in einem zentralen Freiraum des Rotors aufgrund der Fassungen der magnetischen Teile. Dies hat eine Erleichterung des Rotors zur Folge und bei gleicher Geschwindigkeit eine geringere Entwicklung einer Zentrifugalkraft, die mit einem einfachen Rotor entwickelt würde.
Ein zweiter Vorteil ergibt sich aus dem vorhergehenden Vorteil: Da die auftretenden Zentrifugalkräfte kleiner sind, kann die Verbindung der unterschiedlichen konstituierenden Elemente des Rotors durch herkömmlichere und billigere Schweißtechniken durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der bestimmten Form der Klauen, welche einerseits eine Begrenzung der Flussverluste ermöglicht und andererseits der zentrifugalen Biegespannung der Klauen während der Rotation.
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines magnetischen Teils mit zwei Polen für einen Rotor mit vier Polen gemäß der Erfindung.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines amagnetischen Doppelstegteils, wesentlich für einen Rotor mit vier Polen gemäß der Erfindung.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Rotors mit vier Polen gemäß der Erfindung, versehen mit Verkleidungseinrichtungen.
Die Fig. 4A, 4B, 4C sind schematische Darstellungen im Querschnitt eines Rotors mit vier Polen gemäß der Erfindung.
Der Rotor gemäß der Erfindung ist derart konzipiert, dass er so leicht wie möglich ist und von einfacher Konstruktion.
Die Suche nach Leichtigkeit hat dazu geführt, ein Maximum an amagnetischem Material durch Luft zu ersetzen. Die durch die Erfindung vorgeschlagene Lösung ist ein Rotor, der hohl ist oder Leerräume umfasst, mit radial progressiven magnetischen Luftspalten pro Zone und einem aerodynamisch konstanten und glatten mechanischen Luftspalt.
Die Suche nach einer einfachen Konstruktion hat dazu geführt, die Anzahl der konstituierenden Teile des Rotors zu begrenzen.
Der Rotor mit Klauen mit 2 N Polen gemäß der Erfindung umfasst:
ein erstes Teil aus magnetischem Material 1, mit einer axialen Nabe 2, die ein freies Ende 3 hat und ein Ende 4, das mit N Klauen 5 versehen ist, die sich axial gleichmäßig verteilt erstrecken, um peripher angeordnet sind, welche zwischen sich ein Fassung 6 definieren; ein zweites Teil aus magnetischem Material 1' mit entgegengesetzter Polarität zu der Polarität des ersten Teils aus magnetischem Material 1, mit der selben Form wie das erste Teil aus magnetischem Material 1, angeordnet gegenüber des ersten Teils aus magnetischem Material 1, wobei jede Klaue 5' des zweiten Teils aus magnetischem Material 1' zwischen zwei Klauen 5 des ersten Teils aus magnetischem Material 1 angeordnet ist und vice versa; mit amagnetischen Stegen 7, die zwischen den freien Enden 8, 8' der Klauen 5, 5' eines jeden magnetischen Teils 1, 1' angeordnet sind und dem Boden der Fassung 6', 6 des Teils 1', 1 gegenüber; und amagnetischen Einrichtungen 9 zur Verkleidung des Rotors.
Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung entspricht N gleich 2. So umfasst das Ende 4 (4') der Nabe 2 (2') zwei Klauen 5 (5'), die diametral gegenüber liegen.
Die Klauen 5, 5' haben eine äußere Längsseite 10 mit progressiv radialen, magnetischen Luftspaltbereichen.
Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst die äußere Längsseite 10 einen Zentralbereich 11 mit einem Radius, der dem Außenradius des Rotors ohne Verkleidung 9 entspricht, und zwei laterale abgephaste Bereiche 12A, 12B, beiderseits des Zentralbereichs 11. Die abgephasten Formen bilden progressive, radiale Luftspalten. Die allgemeine Form der resultierenden äußeren Längsseite ermöglicht die Optimierung des Durchtritts des magnetischen Flusses zwischen dem Zentralbereich 11 und dem Stator der drehenden Maschine.
Die Klauen gemäß der Erfindung haben vorteilhafterweise spitz zulaufende Innenseiten 13, deren Konvergenzpunkt 14 in der Nähe des Zentrums der Einfassung 6 angeordnet ist.
Diese Charakteristik hat das Ziel, einen großen amagnetischen Raum zwischen zwei magnetischen, nebeneinander angeordneten Massen gegensätzlicher Polarität (benachbarte Klauen) vorzusehen. Dieser amagnetische Raum ermöglicht die Begrenzung der magnetischen Flussverluste, die direkt zwischen zwei benachbarten Polen gegensätzlicher Polarität bestehen, anstelle des Durchlaufens des Stators.
In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform umfassen die Klauen andererseits eine Anordnung der Seiten, bei der sie eine Basis in Kontakt mit der axialen Nabe haben, was wichtig ist für das Auffangen der Biegespannungen der Klauen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, und ein spitzes freies Ende, um die bewegte Masse am Ende der Klaue zu begrenzen, und so die Biegespannungen auf die Basis zu verlagern. Die amagnetischen Stege 7, die zwischen den freien Enden 8, 8' der Klauen 5, 5' der jeweiligen magnetischen Teile 1, 1' und dem Boden der Einfassung 6, 6' des Teils 1', 1 gegenüber angeordnet sind, dienen dazu, einen amagnetischen Raum zu bilden, zwischen den polarisierten Klauen eines magnetischen Teils und dem Boden der Einfassung des anderen magnetischen Teils mit entgegengesetzter Polarität, ausreichend, um die magnetischen Flussverluste zwischen den Klauen und dem gegenüberliegenden Teil zu minimieren.
Diese amagnetischen Stege 7 haben darüber hinaus eine mechanische Rolle, die dazu dient, die axiale und radiale Kohäsion des Rotors sicherzustellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zwischenstege eine steife mechanische Verbindung zwischen den Enden der Klauen eines magnetischen Teils und dem Boden der Einfassung des anders magnetischen Teils sicherstellen.
Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform werden doppelte, amagnetische Stege verwendet, die, neben der steifen Verbindung zwischen den Enden der Klauen des einen magnetischen Teils und dem Boden der Einfassung des anderen magnetischen Teils, eine steife direkte Verbindung zwischen den diametral gegenüberliegenden Klauen sicherstellt. Dies trägt zur Verbesserung der radialen Kohäsion des Rotors bei.
Die Fig. 2 zeigt einen doppelten Monoblockzwischensteg gemäß der Erfindung:
dieser doppelte Monoblockzwischensteg hat die zusätzliche Eigenschaft einer statisch und dynamisch ausgeglichenen Form bzgl. der Rotationsachse des Rotors.
Auf diese Weise löschen sich die Zentrifugalkräfte des doppelten Monoblockzwischenstegs während der Rotation aus. Die Tatsache, dass es sich um einen Monoblock handelt, trägt weiter zur Sicherheit bei.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform, sichert ein einziges Monoblockteil die Funktion des Zwischenstegs für die Anordnung der Klauen.
Die Zwischenstege oder die multiplen Zwischenstege sind in einer Weise konzipiert, dass sie die amagnetischen und mechanischen Funktionen sicherstellen, die man von ihnen bei einem Minimum an Material erwartet.
Die Verbindung der Zwischenstege mit den Klauen und/oder dem Boden der Fassung kann durch jedes geeignete Mittel erfolgen, beispielsweise durch Schweißen, Verschrauben, Verkleben. Gemäß der Erfindung sind die für diese Verbindung notwendigen mechanischen Charakteristika deutlich geringer als für einen herkömmlichen Rotor.
Damit der Rotor ein optimales aerodynamisches Profil behält, sind die Klauen durch amagnetische Verkleidungseinrichtungen verkleidet.
Aufgrund der speziellen Konstruktion des Rotors kann die Verkleidung kein axiales oder radiales Kohäsionselement des Rotors bilden und daher aus irgendeinem amagnetischen Material gebildet sein, und mit einer Stärke, die ausschließlich ihren eigenen Inertialkräften standhält.
Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform umfassen die Verkleidungseinrichtungen einen Hohlzylinder, der die Klauen und zwei kreisförmige Endflansche bedeckt, die die Nabe umgeben und die Basis des Zylinders abschließen.
Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt ist sondern unterschiedlichen Varianten im Rahmen der Ansprüche zugänglich ist. So kann man insbesondere ohne Verlassen des Rahmens der Erfindung die Anzahl der Pole des Rotors vergrößern.

Claims

1. Rotor mit Klauen mit 2 N Polen, umfassend zwei Halbrotoren (1, 1') aus magnetischem Material, montiert durch zumindest ein Verbindungsstück aus amagnetischem Material (7), wobei jeder Halbrotor N Klauen (5, 5') umfasst, die sich axial, winklig äquidistant erstrecken und zwischen sich einen Freiraum oder eine Fassung (6) definieren, wobei die zwei Halbrotoren eine gegensätzliche Polarität haben und gegenüber angeordnet sind, wobei eine Klaue eines Halbrotors zwischen zwei Klauen des gegenüberliegenden Halbrotors mit entgegengesetzter Polarität eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbrotoren einerseits durch ein erstes Monoblockteil (1) aus magnetischem Material und andererseits durch ein zweites Monoblockteil (1') gebildet sind, mit der selben Form wie das erste, aus magnetischem Material, wobei das erste (1) und zweite (1') Teil die Klauen (5, 5') umfasst und jeweils einen axialen Stil (2, 2') umfasst, der einen Träger bildet, an dem die Klauen des korrespondierenden Teils befestigt sind, wobei die Verbindung zwischen dem ersten Teil (1) und dem zweiten Teil (1') durch amagnetische Zwischenstege (7) erfolgt, die zwischen den freien Enden (8, 8') der Klauen und dem Boden der Fassung (6) des gegenüberliegenden Rotors angeordnet sind, und dadurch, dass er darüber hinaus amagnetische Einrichtungen (9) zur Verkleidung des Rotors umfasst.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klaue (5, 5') eine äußere Längsseite (10) hat, die radial, progressive magnetische Luftspaltbereiche hat.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klaue (5, 5') eines magnetischen Teils (1, 1') spitz zulaufende Innenseiten (13) umfasst, deren Konvergenzpunkt (14) in der Nähe des Zentrums der Fassung (6, 6') angeordnet ist.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klaue (5, 5') eine polygonale Basis in Kontakt mit der Axialnabe (2) umfasst, und ein spitzes freies Ende (8).

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest ein amagnetisches Monoblockmehrstegteil (7) umfasst, welches als Zwischensteg für mehrere Klauen (5, 5') dient.