WO2002097949A1 - Rotierende oder lineare elektrische maschine mit permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten permanentmagneten - Google Patents

Rotierende oder lineare elektrische maschine mit permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten permanentmagneten Download PDF

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Joachim Sabinski
Hans Kuss
Ilja Boguslawsky
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Joachim Sabinski
Hans Kuss
Ilja Boguslawsky
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    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction

Definitions

  • the invention relates to both rotating and linear electrical machines
  • Permanent magnet excitation in particular with prefabricated permanent magnets and their arrangement in grooves or curvatures of a laminated core, in particular a laminated rotor core.
  • the object of the invention is to minimize the losses in rotating or linear electrical machines with permanent magnet excitation, particularly in the case of designs with prefabricated permanent magnets, and thus to achieve a higher efficiency and to enable their arrangement in grooves or bulges of a laminated core, in particular a rotor laminated core, and at the same time.
  • the surface of the permanent magnets and / or the surface of the laminated core or the solid iron circle is structured on the side assigned to the air gap.
  • the prefabricated permanent magnets are in grooves (depth of the groove is greater than the width of the groove) or in curvatures (width of the curvature is greater than depth of the curvature) of a laminated core or a solid iron circle opposite the surface of the laminated core or the solid iron circle arranged reset.
  • the laminated core is in particular a laminated rotor core and both massive iron circles are a solid body made of iron.
  • the structuring according to the invention considerably increases the surface area of both the permanent magnets and, if necessary, the surface area of the laminated core or solid iron circle.
  • the air gap field of such electrical machines includes construction-related and load-dependent in addition to that for the
  • the fundamental wave of the magnetic air gap field requires a number of additional undesirable field harmonic harmonics.
  • these field harmonic harmonics cause eddy currents in the magnetic material. Due to the usually high frequency, these eddy currents have only a small penetration depth. However, you can incur significant losses at the
  • the path for the eddy currents running on the surface is lengthened compared to the previously known designs of such electrical machines.
  • the lengthening of the eddy current path increases the effective electrical resistance and thus leads to a reduction in the eddy currents and thus to a reduction in surface losses.
  • the structures of the permanent magnets can be created directly in the press tool when pressing the permanent magnets.
  • the surface inside the press tool is provided with a negative of the desired structure. This means that the ready-to-install structure of the surface is already achieved during the manufacture of the permanent magnets.
  • the advantage of this manufacturing process lies not only in the saving of labor-intensive slot technology, but also in the saving in the use of raw materials for the starting materials for the permanent magnets. These starting materials are known to be very expensive.
  • Punching, milling, grinding or electrical discharge machining can be used as a method. On this surface area thus enlarged, heat transfer from the laminated core or solid iron circuit to the cooling medium increases at the same time, the temperature in the entire rotor being permanently reduced compared to previous designs in the rotor.
  • One or more grooves are advantageously arranged in the surface of the permanent magnets and / or the surface of the laminated core or the solid iron circle transverse to the axial arrangement in grooves or arches (in the direction of the polarity of the permanent magnets) in the radial direction of the laminated core of the electrical machine are.
  • the surfaces of the permanent magnets and / or the surfaces of the laminated core or the solid iron circle are structured in a cam-like or indentation-like manner.
  • a preferred embodiment of the waveform is present if one considers the cross section through the permanent magnet and / or the surfaces of the laminated core or the solid iron circle, if the surface facing the air gap, in the manner of a sinusoidal oscillation or rectangular oscillation with rounded edges or trapezoidal is formed with rounded edges.
  • the invention will be explained below with reference to an embodiment and Figures 1 and 2.
  • FIG. 1 shows the cross section through a permanent magnet 1 according to the invention with an advantageous trapezoidal design of the structuring 2.
  • FIG. 2 shows the cross section through a permanent magnet 1 according to the invention with an advantageous sinusoidal design of the structuring 3.
  • This permanent magnet 1 is arranged in a groove of a rotor laminated core of a rotating electrical machine and is fastened in the groove with a special perforated slot wedge.
  • the prefabricated permanent magnet 1 is provided with wavy ' grooves in the direction of the polarity of the permanent magnet 1, that is to say transversely in the direction of its axial arrangement in the groove, and is arranged recessed in the groove of the rotor laminated core relative to the surface of the rotor laminated core. This reset both reduces the effect of the field harmonic harmonics (due to the greater distance to the air gap field) and further reduces the penetration depth of the field harmonic harmonics, and the losses resulting therefrom are considerably reduced.
  • the shape of the permanent magnets 1 according to the invention is generated directly in the pressing tool during the pressing process.
  • the corresponding surface is formed inside the press tool as a negative of the desired structuring 2 or 3 according to the invention. If the starting material is introduced in powder form into the special pressing tool and pressed, the surface formation according to the invention is immediately produced in the required density and surface quality, that is, the ready-to-install structuring 2 or 3 of the surface is achieved already during the manufacture of the permanent magnets.
  • the structuring according to the invention can also be used in linear electrical machines with permanent magnet excitation.

Abstract

Die Erfindung betrifft sowohl rotierende als auch lineare elektrische Maschinen mit Permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten Permanentmagneten und deren Anordnung in Nuten bzw. Wölbungen eines Blechpaketes insbesondere eines Läuferblechpaketes. Aufgabe ist es, die Verluste in rotierenden oder linearen elektrischen Maschinen mit Permanentmagneterregung zu minimieren und damit einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei ist gleichzeitig eine neue Technologie zu schaffen, welche es ermöglicht solcherart hochausgenutzte elektrische Maschinen und insbesondere die erforderlichen Magnetkörper hierfür ökonomisch sinnvoll herstellen zu können. Erfindungsgemäss ist bei rotierenden oder linearen elektrischen Maschinen mit Permanentmagneterregung die Oberfläche der Permanentmagnete und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises auf der dem Luftspalt zugeordneten Seite hin strukturiert ausgebildet. Dabei sind die vorgefertigten Permanentmagnete in Nuten bzw. in Wölbungen eines Blechpaketes bzw. eines massiven Eisenkreises gegenüber der Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises zurückgesetzt angeordnet. Die erfindungsgemässen Strukturierungen der Permanentmagnete werden direkt in einem Presswerkzeug beim Pressen der Permanentmagnete erzeugt. Dabei ist die Oberfläche im Inneren des Presswerkzeuges mit einem Negativ der gewünschten Strukturierung versehen. Das heisst, bereits bei der Herstellung der Permanentmagneten wird die einbaufertige Strukturierung der Oberfläche erreicht. Durch die Strukturierung werden die auf unerwünschten Wirbelströmen basierenden Verluste beträchtlich verringert. Die Erfindung ist anwendbar Fachgebiet Elektromaschinenbau.

Description

Rotierende oder lineare elektrische Maschine mit Permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten Permanentmagneten
Die Erfindung betrifft sowohl rotierende als auch lineare elektrische Maschinen mit
Permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten Permanentmagneten und deren Anordnung in Nuten bzw. Wölbungen eines Blechpaketes insbesondere eines Läuferblechpaketes .
Es ist bekannt Permanentmagnete zu schlitzen. Dabei werden die nach verschiedenen
Verfahren hergestellten Permanentmagnete mechanisch bearbeitet und Schlitze eingefräst. In der Regel wird das Ausgangsmaterial gepreßt dann gesintert , anschließend mittels Diamantoder Hartmetallspezialwerkzeugen geschlitzt und danach fertig aufmagnetisiert. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es sehr arbeitszeit und kostenintensiv ist, und solcherart Permanentmagnete damit insgesamt sehr teuer sind.
Weiterhin ist es bekannt lange Permanentmagnete aus einer Vielzahl von einzelnen Permanentmagnetblättchen oder Permanentmagnetstücken unterschiedlicher Abmessungen zusammenzusetzen. Diese zusammengesetzten geteilten Permanentmagnete sind sehr aufwendig in der Herstellung und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verluste in rotierenden oder linearen elektrischen Maschinen mit Permanentmagneterregung insbesondere bei Ausführungen mit vorgefertigten Permanentmagneten zu minimieren und damit einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen und deren Anordnung in Nuten bzw. Wölbungen eines Blechpaketes insbesondere eines Läuferblechpaketes zu ermöglichen, sowie gleichzeitig eine Technologie zu schaffen, welche es ermöglicht solcherart hochausgenutzte elektrische Maschinen und insbesondere die erforderlichen Magnetkörper hierfür, ökonomisch sinnvoll herstellen zu können.
Die Aufgabe wird erfmdungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der ersten beiden Patentansprüche gelöst. Erfmdungsgemäß ist bei rotierenden oder linearen elektrischen Maschinen mit Permanentmagneterregung die Oberfläche der Permanentmagnete und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises auf der dem Luftspalt zugeordneten Seite hin strukturiert ausgebildet. Dabei sind die vorgefertigten Permanentmagnete in Nuten (Tiefe der Nut ist größer als Breite der Nut) bzw. in Wölbungen (Breite der Wölbung ist größer als Tiefe der Wölbung) eines Blechpaketes bzw. eines massiven Eisenkreises gegenüber der Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises zurückgesetzt angeordnet. Dabei handelt es sich bei dem Blechpaket insbesondere um ein Läuferblechpaket und beidem massiven Eisenkreis um einen massiv aus Eisen bestehenden Läuferkörper.
Durch die erfindungsgemäße Strukturierung wird die Oberfläche sowohl der Permanentmagnete als auch bei Bedarf die Oberfläche des Blechpaketes bzw. massiven Eisenkreises beträchtlich vergrößert. Das Luftspaltfeld solcherart elektrischer Maschinen beinhaltet konstruktionsbedingt sowie belastungsabhängig neben der für die
Energiewandlung erforderlichen Grundwelle des magnetischen Luftspaltfeldes eine Reihe zusätzlicher unerwünschter feldharmonischer Oberwellen. Diese feldharmonischen Oberwellen rufen in Abhängigkeit der elektrischen Leitfälligkeit des Magnetmaterials Wirbelströme im Magnetmaterial hervor Diese Wirbelströme haben infolge der meist hohen Frequenz nur eine geringen Eindringtiefe. Sie können aber erhebliche Verluste an der
Magnetoberfläche hervorrufen. Durch die erfindungsgemäße Oberflächenvergrößerung wird die Bahn für die an der Oberfläche verlaufenden Wirbelströme gegenüber den bisher bekannten Ausführungen solcherart elektrischer Maschinen verlängert. Die Verlängerung der Wirbelstrombahn erhöht den wirksamen elektrischen Widerstand und führt dadurch zur Verkleinerung der Wirbelströme und damit zur Verringerung der Oberflächenverluste.
Durch die erfindungsgemäße Strukturierung der Oberflächen von Permanentmagnet und/ oder Blechpaket bzw. massiven Eisenkreis zum Luftspalt hin, und die dadurch bedingte Oberflächenvergrößerung wird des weiteren eine verbesserte Kühlung der gesamten elelctrischen Maschine erreicht, da die Wärmeabgabe durch die vergrößerte Oberfläche pro Zeiteinheit an das Kühlmedium deutlich verbessert wird. Die Strukturierungen der Permanentmagnete lassen sich direkt in Preßwerkzeug beim Pressen der Permanentmagnete erzeugen. Dabei ist die Oberfläche im Inneren des Preßwerkzeuges mit einem Negativ der gewünschten Strulcturierung versehen. Das heißt, bereits bei der Herstellung der Permanentmagneten wird die einbaufertige Strulcturierung der Oberfläche erreicht.
Der Vorteil dieses Herstellungsverfahrens liegt nicht nur in der Einsparung der arbeitszeitintensiven Schlitztechnologie, sondern auch in der Einsparung des Rohstoffeinsatzes der Ausgangsmaterialien für die Permanentmagnete. Diese Ausgangsmaterialien sind bekannterweise sehr teuer.
Da die Wirbelströme sich aber auch entlang der Oberfläche, bedingt durch fertigungstechnische Einflüsse, des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises ausbilden, ist es sinnvoll auch diese Oberfläche mittels eines geeigneten Werkzeuges zu vergrößern.
Als Verfahren sind Stanzen, Ausfräßen, Ausschleifen oder Elektroerodieren anwendbar. Auf dieser so vergrößerten Oberfläche erhöht sich damit gleichzeitig Wärmeübergang vom Blechpaket bzw. massiven Eisenkreis auf das Kühlmedium, wobei die Temperatur im gesamten Läufer gegenüber bisherigen Ausführungen im Läufer dauerhaft abgesenkt wird.
Vorteilhafterweise sind in der Oberfläche der Permanentmagnete und/oder der Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises quer zur axialen Anordnung in Nuten bzw. Wölbungen (in Richtung der Polarität der Permanentmagnete), in radialer Richtung des Blechpakets der elektrischen Maschine ein oder mehrere Rillen angeordnet sind.
Insbesondere sind die Oberflächen der Permanentmagnete und/oder die Oberflächen des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises nockenartig oder einbuchtungsartig strukturiert ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Wellenform liegt vor, wenn man den Querschnitt durch de Permanentmagnetes und/oder die Oberflächen des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises betrachtet, wenn die Oberfläche die dem Luftspalt zugewandt ist, in der Art einer Sinusschwingung oder Rechteckschwingung mit abgerundeten Kanten oder trapezförmig mit abgerundeten Kanten ausgebildet ist. Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren 1 und 2 näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Permanentmagneten 1 mit einer vorteilhafte trapezförmigen Ausfuhrung der Strukturierung 2.
Figur 2 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Permanentmagneten 1 mit einer vorteilhafte sinusförmigen Ausführung der Strukturierung 3.
Dieser Permanentmagnet 1 ist in einer Nut eines Läuferblechpaketes einer rotierenden elektrischen Maschine angeordnet und mit einem speziellen durchbrochenen Nutkeil in der Nut befestigt. Der vorgefertigte Permanentmagnet 1 ist mit wellenförmigen'Rillen in Richtung der Polarität des Permanentmagnetes 1, also quer in Richtung seiner axialen Anordnung in der Nut, versehen und ist in der Nut des Läuferblechpaketes gegenüber der Oberfläche des Läuferblechpaketes zurückgesetzt angeordnet. Durch diese Zurücksetzung wird sowohl die Wirkung der feldharmonischen Oberwellen (durch den größeren Abstand zum Luftspaltfeld) verringert als auch die Eindringtiefe der feldharmonischen Oberwellen weiter reduziert und die dadurch bedingten Verluste beträchtlich verringert.
Die Formgebung der erfindungsgemäßen Permanentmagnete 1, daß heißt die Strukturierung 2 oder 3 wird bereits während des Preßvorganges direkt im Preßwerkzeug erzeugt. Dabei ist im Inneren des Preßwerkzeuges die entsprechende Oberfläche als ein Negativ der gewünschten erfindungsgemäßen Strukturierung 2 oder 3 ausgebildet. Wird das Ausgangsmaterial in Pulverform in das spezielle Preßwerkzeug eingebracht und gepreßt, wird sofort die erfindungsgemäße Oberflächenausbildung in der entsprechend geforderten Dichte und Oberflächengüte erzeugt, das heißt, bereits bei der Herstellung der Permanentmagneten wird die einbaufertige Strukturierung 2oder 3 der Oberfläche erreicht.
Um die Ausbildung der Wirbelströme im Läuferblechpaket entlang der Oberfläche, bedingt durch fertigungstechnische Einflüsse bei der Herstellung des Blechpaketes zu vermeiden ist es sinnvoll auch diese Oberfläche mittels eines geeigneten Werkzeuges analog oder auch mit einer geringeren Anzahl von Strukturierungen wie der Permanentmagnet 1, also quer zu den Axial verlaufenden Nuten des Läuferblechpaketes zu versehen. Die Strukturierung des Läuferblechpaketes ist nicht gezeichnet, da sie analog der Strukturierung 2 oder 3 des Permanentmagneten 1 ausgebildet sind. Als Verfahren sind Stanzen, Ausfräßen, Ausschleifen oder Elektroerodieren anwendbar.
Auf dieser so vergrößerten Oberfläche erhöht sich damit gleichzeitig der Wärmeübergang an das Kühlmedium und die Temperatur im gesamten Läufer gegenüber bisherigen Ausführungen wird dauerhaft abgesenkt.
Die erfindungsgemäße Strukturierung ist auch bei linearen elektrischen Maschinen mit Permanentmagneterregung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche:
1. Rotierende oder lineare elektrische Maschine mit Permanentmagneterregung insbesondere mit vorgefertigten Permanentmagneten und deren Anordnung in Nuten bzw. Wölbungen eines Blechpaketes insbesondere eines Läuferblechpaketes, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Luftspalt zugeordneten Seite, die Oberfläche der Permanentmagneten und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises strukturiert ausgebildet ist.
2. Verfahren zur Herstellung einer rotierenden oder linearen elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung in der Oberfläche von aus Pulver gepreßten Permanentmagneten bereits während des Preßvorganges von Pulver zum Permanentmagneten über eine strukturierte Oberfläche im Inneren des Preßwerkzeuges hergestellt wird und die Strukturierung der Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises vor der Montage der Permanentmagnete mittels Stanzen, Ausfräßen, Ausschleifen oder Elektroerodieren hergestellt wird und anschließend die Montage und Festsetzung der Permanentmagnete erfolgt.
3. Rotierende oder lineare elektrische Maschine mit Permanentmagneterregung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche der Permanentmagnete und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. eines massiven Eisenkreises quer zur axialen Anordnung der Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Nuten bzw. Wölbungen angeordnet sind, in radialer Richtung des Blechpakets der elektrischen Maschine ein oder mehrere Rillen angeordnet sind.
4. Rotierende oder lineare elektrische Maschine mit Permanentmagneterregung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Permanentmagnete und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises die dem Luftspalt zugewandt ist, nockenartig oder einbuchtungsartig stmlcturiert ausgebildet ist.
5. Rotierende oder lineare elektrische Maschine mit Permanentmagneterregung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Permanentmagnete und/oder die Oberfläche des Blechpaketes bzw. des massiven Eisenkreises die dem Luftspalt zugewandt ist, wellenartig, als Querschnitt betrachtet in der Art einer Sinusschwingung oder nahezu Rechteckschwingung mit abgerundeten Kanten oder trapezförmig mit abgerundeten Kanten ausgebildet ist.
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