DE69827311T2

DE69827311T2 - Rotorwelle für einen Elektromotor und Herstellungsverfahren für eine Rotorwelle

Info

Publication number: DE69827311T2
Application number: DE69827311T
Authority: DE
Inventors: Yves Debleser
Original assignee: Jeumont Industrie
Current assignee: Jeumont Electric SAS
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: ATE281707T1; JP4268682B2; EP0860928B1; WO1998035422A1; WO1998035422A9; EP0860928A1; FR2759506B1; DE69827311D1; FR2759506A1; JP2001518277A; US6265805B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Elektrosynchronmaschinen und betrifft insbesondere eine Welle für den Rotor einer Elektrosynchronmaschine.
Eine derartige Welle enthält zwei Endabschnitte und einen elektrisch aktiven Mittelabschnitt, der die Leiter enthält, die alle durch spanende Bearbeitung einteilig hergestellt sind.
Die Endabschnitte sind dazu bestimmt, auf zwei Lager gesetzt zu werden und weisen eine geeignete Form auf.
Bei dem aktiven Mittelabschnitt, der den Rotor der Maschine bildet, sind Rillen und tiefe Nuten für die elektrischen Leiter eingearbeitet. Dabei müssen Spulen isoliert und in den Nuten über Keile festgehalten werden. Dies stellt einen konstruktiven Unterschied zwischen Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen dar, bei denen im allgemeinen die Leiter Sammelschienen sind, die weder Isolierung noch Verkeilung erfordern.
Somit sind die Kosten und die Zeit für die Herstellung der Wellen für den Rotor von Synchronmaschinen derzeit hoch. Sie stellen ein Problem bei der Herstellung von Elektromaschinen dar.
Die GB-A-523 311 beschreibt eine Rotorwelle einer Elektrosynchronmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei diesem bekannten Rotorwellenaufbau werden Keile verwendet, um das Verkeilen der Leiter in ihren jeweiligen Nuten und das Verschließen der letztgenannten zu gewährleisten.
Es hat sich als erforderlich herausgestellt, den Aufbau der Rotorwellen von Synchronmaschinen sowie deren Herstellungsverfahren abzuändern, um in bedeutender Weise deren Kosten und Herstellungszeit zu senken.
Dazu schlägt die Erfindung eine Rotorwelle mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmalen vor.
Vorzugsweise ist das Paket zwischen zwei Endplatten angeordnet, wobei die Stifte mit den Platten verschweißt sind.
Die nachfolgenden Merkmale können für sich genommen oder in sämtlichen technisch möglichen Kombinationen in Betracht gezogen werden, nämlich dass:

– der Durchmesser des Pakets im wesentlichen identisch zu dem der Endplatten ist,
– eine jede Endplatte an ihrer Innenseite eine Senkung enthält, wobei das Blechpaket mit jedem seiner Enden in den Senkungen eingelassen ist,
– die Stifte, die in den die Nuten fortsetzenden Ausnehmungen verlaufen, aus nichtmagnetischem Material bestehen,
– jedes Blech zumindest zwei Bereiche enthält, die keine Nuten aufweisen, jedoch mit Ausnehmungen für den Durchtritt der Stifte versehen sind, die vorzugsweise an den Außenrand des Blechs münden,
– die in den Ausnehmungen der nutfreien Bereiche verlaufenden Stifte aus magnetischem Material bestehen,
– die Bleche verklebt sind, um die Torsionsfestigkeit des Pakets zu verbessern,
– das Blechpaket Kühlkanäle enthält, die sich gegebenenfalls in den Endplatten fortsetzen,
– die Kühlkanäle über in den Leitern ausgeführte Kanäle mit Lüftungsschächten in Verbindung stehen, die am Umfang des Blechpakets vorgesehen sind,
– die Nuten eines jeden Blechs sich auf der dem Außenrand des Blechs gegenüberliegenden Seite über eine Öffnung fortsetzen, die einem Kühlkanal entspricht,
– die Ausnehmungen für die Stifte einen Freiraum zwischen dem Blech und den Stiften bilden, wenn diese sich in Stellung befinden, so dass Lüftungsschächte gebildet werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Rotorwelle einer Elektrosynchronmaschine nach Anspruch 13.
Vorteilhaft werden die Nuten und die Ausnehmungen durch Ausschneiden, insbesondere mittels Laserstrahl, in den Blechen hergestellt, da es sich um dünne Bleche handelt.
Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, aus der sich weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung deutlicher anhand von nicht einschränkenden Ausführungsformen der Erfindung ergeben, die sich auf die beigefügten Zeichnungen beziehen, worin zeigt:
1 eine Teildraufsicht auf eine erfindungsgemäße Rotorwelle,
2 eine perspektivische Teilansicht mit einem Teilschnitt durch den aktiven Mittelabschnitt der erfindungsgemäßen Rotorwelle,
3 eine Halbansicht eines Blechs des aktiven Abschnitts der erfindungsgemäßen Rotorwelle entlang der Symmetrieachse der Pole,
4 eine abgewickelte Teilansicht des aktiven Abschnitts der erfindungsgemäßen Rotorwelle,
5 eine Schnittansicht einer Nut entlang V-V, und
6 eine Schnittansicht einer Nut entlang VI-VI im Bereich eines Lüftungsschachts.
Den verschiedenen Figuren gemeinsame Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Rotorwelle 20 für eine Elektromaschine. Die Achse der Welle trägt das Bezugszeichen 1.
Diese Welle enthält zwei Endabschnitte 2 und 3, die zum Abstützen der Welle auf in der Maschine vorgesehenen Lagern bestimmt sind.
Mit dem Bezugszeichen 4 sind Lüftungsblätter bezeichnet, die separat hergestellt und dann an jeden Endabschnitt befestigt werden.
Diese verlaufen symmetrisch zur Mittelachse 5, die senkrecht zur Achse 1 verläuft und auch eine Symmetrieachse darstellt.
Der Mittelabschnitt der Welle ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet.
Er enthält einen elektrisch aktiven Abschnitt 7, der gestapelte Bleche enthält und zwischen zwei Endplatten 8 festgehalten wird.
Die Einheit aus Blechen und Platten wird zwischen zwei Mantelringe 9 eingesetzt, von denen jeder mit einem Endabschnitt 2, 3 der Rotorwelle verbunden ist.
Der Durchmesser der Bleche und damit des Pakets ist im wesentlichen identisch zu dem der Endplatten 8, was zum guten Halt des Blechpakets beiträgt. Der Durchmesser der Bleche ist vorzugsweise geringfügig kleiner als der der Endplatten, wie anhand von 2 beschrieben wird.
2 stellt teilweise eine Endplatte 8 und den elektrisch aktiven Bereich 7 mit gestapelten Blechen 10 und Leitern 11 dar.
Bei einer Zweipolmaschine zeigt 3 einen Halbschnitt entlang der Achse 12, Symmetrieachse der Pole, eines Blechs 10, das insgesamt die Form einer Scheibe aufweist. Das Blech 10 weist keine Bohrung bzw. kein Mittelloch auf. Die Achse 13 ist die Symmetrieachse zwischen den Polen.
Das Blech 10 enthält zwei Reihen von radialen Nuten 15, von denen nur eine in 3 dargestellt ist.
Jede Nut 15 ist zum Aufnehmen eines Leiters 11 ausgelegt. Sie setzt sich zum Rand 26 des Blechs über eine Ausnehmung 19 fort, die zum Einsetzen eines Stifts 17 eine abgerundete Form aufweist. Die Stifte 17 werden so am Umfang des Rotors angeordnet, um für einen besseren Zusammenhalt zu sorgen.
Mit dem Bezugszeichen 32 ist der Abschnitt des Blechaußenrands bezeichnet, der zwischen den beiden Ausnehmungen 19 liegt. Bei dem Blechpaket 10 bilden diese Abschnitte 32 die Nutzähne.
Jede Nut 15 wird auf der der Ausnehmung 19 gegenüberliegenden Seite über eine Öffnung 16 fortgesetzt, deren Breite (im Umfangsrichtung des Blechs) kleiner ist als die der Nut 15.
Die Bleche 10 sind feine Bleche, deren Dicke im allgemeinen zwischen 2 und 3 mm liegt.
Somit können die Nuten 15, die Ausnehmungen 19 und die Öffnungen 16 leicht durch Ausschneiden hergestellt werden, indem beispielsweise ein Laserstrahl Anwendung findet. Dies wäre mit dicken Blechen nicht möglich, bei denen die Nuten gezwungenermaßen spanend eingearbeitet sind.
Damit wird die Herstellungszeit der Bleche erheblich verkürzt.
Bei dem in 3 dargestellten Beispiel enthält das Blech 10 zwischen den beiden Reihen von Nuten 14 zwei diametral gegenüberliegende Bereiche 18, die keine Nuten aufweisen, um Polabschnitte zu bilden. Diese Bereiche 18 weisen dagegen Ausnehmungen 39 für den Durchtritt der Stifte 17 auf. Vorzugsweise münden diese Ausnehmungen 39 auch am Rand 26 des Blechs.
Sie können ebenso wie die Nuten 15, die Ausnehmungen 19 und die Öffnungen 16 leicht durch Ausschneiden, insbesondere mit einem Laserstrahl, hergestellt werden.
Diese Art von Blech ermöglicht es, eine Zweipolmaschine herzustellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Der Mittelabschnitt 6 der Welle ist auf nachfolgende Art und Weise hergestellt.
Die Bleche 10 werden gestapelt, so dass die Nuten 15 miteinander übereinstimmen.
Die Bleche 10 sind vorzugsweise vorbeleimt, um die Torsionsfestigkeit des Pakets zu verbessern.
Das entstandene Paket wird zwischen die Endplatten 8 eingesetzt, die ihrerseits ein Bestandteil der Welle 20 sind.
Wie in 2 gezeigt ist, enthalten die Endplatten 8 radiale Ausnehmungen für den Durchtritt der Stifte 17 und der Leiter. Jede dieser Platten weist auch am Umfang ihrer Innenseite eine Senkung 82 auf, in die ein Ende des Blechpakets eingelassen ist. Dieses Einlassen der Enden des Pakets gewährleistet einen besseren Halt desselben. Ferner sorgen Schultern 81 für das Zentrieren und den Halt des Blechpakets. Der Durchmesser des Pakets ist damit geringfügig kleiner als der der Endplatten.
Dann werden die Stifte 17 in die Ausnehmungen 19 eingeführt, indem sie durch die Ausnehmungen 21 treten, die in den Endplatten 8 vorgesehen sind.
Die in die Ausnehmungen 39 der Polabschnitte eingeführten Stifte 17 bestehen vorzugsweise aus magnetischem Material, um den Fluss zu ermöglichen, und diejenigen, die in die über die Nuten 15 fortgesetzten Ausnehmungen 19 eingefügt sind, bestehen aus nichtmagnetischem Material, um den Fluss von einem Nutzahn 32 zum nächsten zu vermeiden.
Auf die Stifte 17 wird eine Zugkraft ausgeübt, so dass die vorbeleimten Bleche zusammengedrückt werden.
Im Laufe dieses Vorgangs verkleben die Bleche miteinander. Dann werden die Stifte 17 an die Endplatten 8 angeschweißt. Mit dem Bezugszeichen 22 ist eine Schweißnaht bezeichnet.
Nach dem Anschweißen der Stifte an den Endplatten werden die Stifte losgelassen. Diese halten das Blechpaket steif.
Dann werden die Leiter in die Nuten 15 eingesetzt, in welchen sie mittels der Stifte 17 verkeilt werden. Die Leiter am Ende der Platten werden schließlich miteinander verbunden, um elektrische Wicklungen zu bilden.
5 zeigt eine Nut 15 in dem Blechpaket im Bereich der Line V-V aus 4. Die Nut enthält einen Leiter 11, wobei an den Nutwänden eine Isolierung 24 aufgebracht ist.
Am Nutgrund ist ein Keil 25 vorgesehen. In der Ausnehmung 19 ist ein Stift 17 eingesetzt, der den Leiter 11 in der Nut 15 verkeilt und diese verschließt. Mit dem Bezugszeichen 26 ist der Außenrand des Blechs bezeichnet.
Die in Verlängerung der Nut 15 im Blech vorgesehene Öffnung 16 ist frei von jeglichem Leiter.
Die Gesamtheit dieser Öffnungen 16 bildet mit entsprechenden Öffnungen, die in den Endplatten 8 vorgesehen sind, Kühlkanäle 27, die in 2 dargestellt sind.
Die Mantelringe 9 sind dazu bestimmt, den Halt der elektrischen Wicklungen zu gewährleisten und können teilweise aus Metall oder aus Verbundmaterial, insbesondere auf Epoxydharzbasis, hergestellt sein.
Mit dem Bezugszeichen 23 ist der Anschlussbereich eines Leiters 11 bezeichnet, der dazu bestimmt ist, mit dem Stromkreis der Maschine verbunden zu werden.
2 und 4 zeigen, dass im Blechpaket Schächte 31 zur Belüftung ausgeführt sind.
6 zeigt eine Nut 15 in dem Blechpaket im Bereich eines Lüftungsschachts 31. Diese Figur ist eine Teilschnittansicht entlang der Linie VI-VI in 4.
Sie zeigt, dass bei bestimmten Blechen 30 zumindest bestimmte Ausnehmungen 19 bzw. 39 keine kreisrunde Form haben, sondern eine Halbkreisform, so dass ein Freiraum 28 zwischen dem Blech und den Stiften 17 entsteht, wenn diese sich in Stellung befinden.
Diese besonderen Bleche 30 liegen einander gegenüber, wenn sämtliche Bleche so gestapelt sind, dass sie die Lüftungsschächte 31 bilden.
6 zeigt, das der Schacht 31 mit dem Kühlkanal 16 über einen Kanal 29 in Verbindung steht. Dieser Kanal durchsetzt den Leiter 11, der in die Nut 15 eingesetzt ist.
Die Gesamtheit an Lüftungsschächten 31, Zwischenkanälen 29 und Kühlkanälen 27 ermöglicht es, die Leiter 11 des Rotors abzukühlen.
Die Stifte 17 gewährleisten den Zusammenhalt der Bleche und bilden den Längs- bzw. Axialaufbau des Rotors.
Sie werden am Umfang des Pakets eingesetzt.
Sie gewährleisten auch eine Nutverkeilfunktion, indem sie die Leiter 11 mechanisch in ihrer Nut halten.
Die Stifte 17 haben auch eine elektrische Dämpffunktion, da sie mit den Endplatten 8 verbunden sind. Sie ermöglichen es, die aus dem geschichteten aktiven Abschnitt stammenden Kriechströme in Axialrichtung rückzuschleifen.
Ferner haben bei den in den Figuren dargestellten Beispielen die Stifte 17 einen kreisförmigen Querschnitt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, wobei die Stifte einen beliebigen Querschnitt haben können, insbesondere einen trapezförmigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.
Das mechanische Biegeverhalten der erfindungsgemäßen Rotorwelle ist im Betrieb wie folgt: Druckkräfte werden von dem Blechpaket aus verklebten Blechen aufgenommen und Zugkräfte werden von den Spannstiften 17 aufgenommen.
Bei Torsion wird das elektrische Moment schrittweise entlang des aktiven Abschnitts über die verklebten Schnittstellen und/oder über die durch die Reibung bedingten Haftkräfte zwischen den Blechen übertragen.
Die nach den technischen Merkmalen eingefügten Bezugszeichen, die in den Ansprüchen erwähnt sind, haben allein den Zweck, das Verständnis der letztgenannten zu erleichtern und schränken keineswegs deren Umfang ein.

Claims

Rotorwelle für eine Elektrosynchronmaschine, mit zwei bearbeiteten Endabschnitten (2, 3), die einen elektrisch aktiven Mittelabschnitt (6) umgreifen, und mit Leitern, wobei der aktive Abschnitt (6) aus einem Blechpaket (10) besteht, das über Stifte (17) starr gehalten wird, wobei die Bleche eine Mehrzahl von radialen Nuten (15) für die Leiter (11) enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (15) eines jeden Blechs (10) über eine Ausnehmung (19) zum Durchtritt der Stifte (17) zum Außenrand (26) des Blechs hin ragen, wobei diese Stifte das Verkeilen der Leiter in den Nuten und das Verschließen der letztgenannten gewährleisten.
Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket zwischen zwei Endplatten (8) angeordnet ist und die Stifte (17) mit den Platten verschweißt sind.
Rotorwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Pakets im wesentlichen identisch zu dem der Endplatten (8) ist.
Rotorwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Endplatte (8) an ihrer Innenseite eine Senkung (82) enthält, wobei das Blechpaket mit jedem seiner Enden in den Senkungen eingelassen ist.
Rotorwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (17), die in den die Nuten (15) fortsetzenden Ausnehmungen (19) verlaufen, aus nichtmagnetischem Material bestehen.
Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blech (10) zumindest zwei Bereiche (18) enthält, die keine Nuten aufweisen, jedoch mit Ausnehmungen (39) für den Durchtritt der Stifte (17) versehen sind, die vorzugsweise an den Außenrand des Blechs münden.
Rotorwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ausnehmungen (39) der nutfreien Bereiche (18) verlaufenden Stifte (17) aus magnetischem Material bestehen.
Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (10) verklebt sind.
Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (10) Kühlkanäle (27) enthält, die sich gegebenenfalls in den Endplatten (8) fortsetzen.
Rotorwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (27) über in den Leitern (11) ausgeführten Kanälen (29) mit Lüftungsschächten (31) in Verbindung stehen, die am Umfang des Blechpakets vorgesehen sind.
Rotorwelle nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (15) eines jeden Blechs (10) sich auf der dem Außenrand (26) des Blechs gegenüberliegenden Seite über eine Öffnung (16) fortsetzen, die einem Kühlkanal (27) entspricht.
Rotorwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (19, 39) für die Stifte einen Freiraum (28) zwischen dem Blech und den Stiften (17) bilden, wenn diese sich in Stellung befinden, so dass Lüftungsschächte (31) gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Rotorwelle einer Elektrosynchronmaschine, mit zwei bearbeiteten Endabschnitten (2, 3), die einen elektrisch aktiven Mittelabschnitt (6) umgreifen, wobei das Verfahren darin besteht, die beiden Endabschnitte (2, 3) zu bearbeiten, den Mittelabschnitt (6) auszubilden und die drei Abschnitte (2, 3, 6) miteinander zu verbinden, wobei das Verfahren ferner darin besteht, den Mittelabschnitt (6) durch nachfolgende, aufeinanderfolgende Schritte auszubilden: – Herstellen von Blechen (10) mit Nuten (15) für die Leiter (11) und mit Ausnehmungen (19, 39) für Stifte (17), derart, dass jede Nut (15) über eine Ausnehmung (19) zum Durchtritt der Stifte (17) zum Außenrand (26) des entsprechenden Blechs (10) hin ragt, wobei diese Stifte das Verkeilen der Leiter (11) in den Nuten (15) und das Verschließen der letztgenannten gewährleisten, – Vorverkleben der Bleche (10), – Stapeln der Bleche (10), – Einführen des erhaltenen Pakets zwischen zwei Endplatten (8), – Einführen der Stifte (17), welche die Nuten verschließen, – Beaufschlagen der Stifte (17) mit Zugkraft, – Verschweißen der Stifte (17) mit den Endplatten (8), – Einführen der Leiter (11) in die Nuten des Pakets, wobei die Stifte das Verkeilen der Leiter in den Nuten gewährleisten, und – Anschließen der Leiter (11).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, bei dem die Nuten (15) und die Ausnehmungen (19, 39) durch Ausschneiden, insbesondere mittels Laserstrahl, in den Blechen (10) hergestellt werden.