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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem
Stator und einen an dem Stator rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer,
welcher eine (bevorzugt isolierte) Läuferwicklung umfasst,
wobei die Läuferwicklung wenigstens einen Spulenstrang
aufweist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine
derartige elektrische Maschine.
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Das
Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf eine schnell
laufende elektrische Maschine mit einer isolierten Läuferwicklung.
Derartige Maschinen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bei
Asynchron-Schleifringläufermaschinen und Synchronmaschinen,
insbesondere elektrisch erregten Synchronmaschinen, werden die maximale Drehzahl
und die Abmessungen der Maschine durch die mechanischen Belastungen
der Läuferbauteile, insbesondere der Läuferwicklung,
bestimmt. Üblicherweise wird die Läuferwicklung
aus Kupfer ausgeführt und umfasst wenigstens einen und
in der Regel eine Mehrzahl von isolierten Spulensträngen
beziehungsweise Kupferdrähten. Die gesamte Läuferwicklung
weist bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine eine geringe
Biegesteifigkeit auf. Dies gilt insbesondere für die Wickelköpfe
der Läuferwicklung. Nun unterliegen die Wickelköpfe
der Läuferwicklung aber hohen mechanischen Beanspruchungen
durch die Fliehkräfte, wobei geringe Biegesteifigkeit von
Nachteil ist.
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Weil überdies
die Läufer solcher elektrischen Maschinen üblicherweise
schlechter belüftet sind als die Statoren, müssen
die Läuferwicklungen zum Betrieb mit reduzierten Stromdichten
ausgebildet werden, indem die Querschnitte der Läuferwicklun gen entsprechend
groß ausgebildet werden. Um Platz für diese großen
Wicklungsquerschnitte zu schaffen, muss der Durchmesser des Läufers
seinerseits entsprechend groß ausgebildet werden. Dies
wiederum hat besonders hohe auf die Läuferwicklung wirkende Fliehkraft
sowie ein sehr großes Bauvolumen der gesamten elektrischen
Maschine zur Folge.
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Eine
Abhilfe hierzu schaffen beispielsweise Bandagen, wie beispielsweise
aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildete
Ringe, durch welche die Läuferwicklung stabilisiert wird.
Solche Bandagen können an einer Welle des Läufers
abgestützt sein.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine mit isolierter Läuferwicklung sowie ein Verfahren
zum Herstellen eines Läufers für eine elektrische
Maschine zu schaffen, bei welcher und welchem Maßnahmen
getroffen sind, die im Hinblick auf die mechanische Belastung der
Läuferwicklung bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine
eine verbesserte Biegesteifigkeit beziehungsweise mechanische Festigkeit
der Läuferwicklung gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische
Maschine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch ein
Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
somit vorgesehen, dass die Läuferwicklung zumindest teilweise
aus einem Nanoröhren umfassenden Material besteht, also eine
Nanostruktur aufweist. Ein derartiges Material weist bekanntlich
eine im Vergleich zu Kupfer oder anderen Leitern deutlich höhere
Dichte und somit verbesserte mechanische Festigkeit auf.
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Durch
die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird
erreicht, dass die Läuferwicklung, und insbesondere deren
Wickelköpfe, in Folge der erhöhten mechanischen
Festigkeit beziehungsweise der erhöhten Biegesteifigkeit
in reduziertem Ausmaß durch die bei hohen Drehzahlen auftretenden
Fliehkräfte beansprucht wird, so dass sich der Einsatz
von Stabilisierungselementen, wie beispielsweise von Bandagen, Abstützungen
und dergleichen erübrigt.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Nanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren umfassen beziehungsweise wenn die
Läuferwicklung zumindest teilweise aus einem Kohlenstoffnanoröhren
umfassenden Material besteht. Unter dem Begriff Kohlenstoffnanoröhren
(CNT, Carbon Nano Tubes) versteht man bekanntlich röhrenförmige
Gebilde, welche aus Kohlenstoff ausgebildet sind. Dabei zeichnen
sich ein Kohlenstoffnanoröhren umfassendes Material durch
eine im Vergleich zu Kupfer deutlich bessere Stromleitfähigkeit
beziehungsweise Stromtragfähigkeit (maximale Stromstärke
für einen vorbestimmten Querschnitt) aus. Hierdurch kann
die Läuferwicklung der elektrischen Maschine mit wesentlich
niedrigeren Querschnitten ausgeführt werden. Folglich wird
gewährleistet, dass die Läuferwicklung weniger
Bauraum beansprucht, so dass ein kompakter Läufer und somit
eine kompakte elektrische Maschine geschaffen werden können.
Darüber hinaus besteht dabei ein Vorteil darin, dass aufgrund der
im Vergleich zu einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform
reduzierten Abmessungen des Läufers die Beanspruchungen
der Läuferwicklung durch Fliehkräfte leichter
beherrschbar sind. Bei einer elektrischen Maschine mit einer (isolierten)
Läuferwicklung, welche aus einem Kohlenstoffnanoröhren
umfassenden Material besteht, ist es somit möglich, hohe
Maschinenleistungen sowie hohe Drehzahlen auch in Maschinen mit
isolierter Läuferwicklung zu erreichen, welche bisher nicht
realisiert oder nur durch Einsatz eines Kurzschlussläufers
beziehungsweise einer massiven Käfigwicklung realisiert werden
konnten. Da zudem eine Kohlenstoffnanoröhren umfassende
Läuferwicklung infolge ihres geringen Widerstands für
geringere Leistungsverluste sorgt, erhält man einen besonders
hohen Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschine.
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Bei
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Material
vollständig aus Nanoröhren, insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhren,
gebildet ist. Bei einer vollständig aus Nanoröhren,
insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhren, ausgebildeten Läuferwicklung
der elektrischen Maschine kommen die Vorteile eines derartigen Materials
vollständig zum Tragen.
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Alternativ
kann das Material aus einem Komposit aus Nanoröhren und
Kupfer gebildet sein. Hierdurch wird eine kostenreduzierte und dennoch
eine im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit und Biegesteifigkeit
der Läuferwicklung verbesserte elektrische Maschine geschaffen.
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Bei
der elektrischen Maschine kann es sich um eine elektrisch erregte
Synchronmaschine handeln. Die Läuferwicklung einer derartigen
Synchronmaschine kann insbesondere mindestens einen Spulenstrang
aufweisen, welcher über Schleifringe oder eine sonstige
Stromübertragungseinrichtung, auf welchem der mindestens
eine Spulenstrang geführt ist, mit Strom, insbesondere
mit Gleichstrom, beaufschlagbar ist. Durch das Bestromen des mindestens einen
Spulenstrangs der Läuferwicklung wird ein Erregerfeld erzeugt,
wodurch erreicht wird, dass sich der Läufer im stationären
Zustand synchron zu einem von einer Statorwicklung erzeugten Drehfeld
bewegt. Bei dieser Ausführungsform kann der Läufer
beispielsweise als ein elektrisch erregter Turborotor oder Schenkelpolrotor
ausgebildet sein.
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Alternativ
kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine Asynchron-Schleifringläufermaschine
handeln. Bei einer derartigen Asynchronmaschine kann die Läuferwicklung
insbesondere mindestens drei Spulenstränge umfassen, welche
zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet sind beziehungsweise welche
eine Drehstromwicklung der Asynchronmaschine darstellen. Die mindestens
drei Spulenstränge der Läuferwicklung können
dabei in Form einer Sternschaltung geschaltet sein und überdies über
isolierte Schleifringe geführt sein. Hierdurch ist die
Läuferwicklung von außen her zugänglich
und kann je nach Anforde rung über elektrische Widerstände
geführt oder kurzgeschlossen werden.
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Bei
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stator eine
Statorwicklung umfasst, welche zumindest teilweise aus dem Nanoröhren,
insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, umfassenden Material besteht.
Aufgrund der erhöhten Stromleitfähigkeit eines
solchen Materials wird hierdurch erreicht, dass die Statorwicklung
des Stators mit niedrigeren Querschnitten ausgeführt und
somit die gesamte elektrische Maschine kompakter ausgestaltet werden
können. Bei dieser Ausführungsform umfasst die
Statorwicklung bevorzugt zumindest drei Spulenstränge und
ist somit zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen
eines Läufers für eine elektrische Maschine wird
ein Läuferblechpaket bereitgestellt. Ferner wird eine Läuferwicklung
in und/oder an das Läuferblechpaket angeordnet, wobei zur
Bildung der Läuferwicklung wenigstens ein Spulenstrang
verwendet wird. Erfindungsgemäß wird die Läuferwicklung
zumindest teilweise aus einem Nanoröhren, bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren,
umfassenden Material ausgebildet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen Längsschnitt über
eine als Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine nach
einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 in
schematischer Schnittdarstellung einen Läufer der Synchronmaschine
gemäß 1.
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Eine
in 1 dargestellte Synchronmaschine 10 weist
einen Stator 11 auf, welcher ein Statorblechpaket 12 sowie
ein das Statorblechpaket 12 umgebendes Statorgehäuse 13 umfasst.
Die Synchronmaschine 10 weist ferner einen Läufer 14 einschließlich
eines Läuferblechpakets 15 sowie einer Läuferwelle 16 auf.
Dabei ist die Läuferwelle 16 und somit der gesamte
Läufer 14 über jeweils ein Kugellager 17, 18 an
zwei einander gegenüberliegenden Seiten 19, 20 des
Statorgehäuses 13 rotatorisch bewegbar gelagert.
Somit ist der Läufer 14 relativ zum Stator 11 um
eine durch eine Orientierung der Läuferwelle 16 definierte
Drehachse A drehbar.
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Dem
Statorblechpaket 12 ist eine Statorwicklung 21 zugeordnet,
welche im vorliegenden Beispiel drei Spulenstränge aufweist
und somit zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet ist. Ferner umfasst
der Läufer 14 eine Läuferwicklung 22,
welche eine Mehrzahl von aus dem Läuferblechpaket 15 herausragenden
Wickelköpfen 23 aufweist.
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In 2 ist
der Läufer 14 der Synchronmaschine 10 in
schematischer Schnittdarstellung wiedergegeben. Dabei ist der Läufer 14 ein
Turborotor. Das Läuferblechpaket 15 des Läufers 14 weist
eine Mehrzahl von in radialer Richtung ausgebildeten und über
einen Umfang des Blechpakets 15 angeordneten Wicklungsnuten 24 auf.
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Ferner
umfasst die Läuferwicklung 22 im vorliegenden
Beispiel einen Spulenstrang, welcher in den Wicklungsnuten 24 des
Läuferblechpakets 15 gewickelt ist. Da die Läuferwicklung 22 einen
einzigen Spulenstrang umfasst, ist der Läufer 14 zweipolig
ausgebildet beziehungsweise ist die Polpaarzahl des Läufers 14 vorliegend
gleich Eins. Wie in 2 dargestellt ist, sind aufgrund
der Anordnung der Läuferwicklung 22 zwei Pole
N, S eines magnetischen Felds an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Läuferblechpakets 15 ausgebildet. Demzufolge
handelt es sich hier um eine schnell laufende Synchronmaschine 10.
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Mit
erneutem Bezug auf 1 wird die Läuferwicklung 22 über
eine Stromübertragungseinrichtung 25 (z. B. über
Schleifringe) von außen bestromt. Bei einer derartigen,
hier betrachteten schnell laufenden Synchronmaschine 10 werden
die maximale Drehzahl und die Ausführbarkeit der Synchronmaschine 10,
wie insbesondere die Abmessungen, durch die mechanischen Belastungen
der Läuferwicklung 22 bestimmt. Bildet man die
Läuferwicklung 22 aus Kupfer aus, so besitzt die
Läuferwicklung 22 insbesondere in Bereichen der
Wickelköpfe 23 eine geringe Biegesteifigkeit und
hält Belastungen daher unzureichend stand. Um dieser Problematik
zu begegnen, ist die Läuferwicklung 22 im vorliegenden Beispiel
aus einem Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Material ausgebildet.
Aufgrund einer erhöhten Stromleitfähigkeit und
einer höheren mechanischen Festigkeit eines derartigen
Materials können somit hohe Maschinenleistungen und Drehzahlen
erreicht werden. Darüber hinaus kann die Läuferwicklung 22 mit
einem geringeren Querschnitt – als wenn sie aus Kupfer
ausgeführt wäre – ausgeführt
werden, wodurch ein kleinerer beziehungsweise kompakterer Läufer 14 und
somit eine kompakte elektrische Maschine 10 geschaffen
werden. Das Ausführen der Läuferwicklung 22 aus
Kohlenstoffnanoröhren bietet überdies Vorteile
im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschine 10.
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Im
vorliegenden Beispiel ist die Läuferwicklung
22 durch
einen elektrischen Leiter gemäß der Druckschrift
EP 1 275 118 B1 gebildet.
Demnach umfasst die Nanostruktur aufweisende Läuferwicklung
22 eine
leitende Matrix, in welcher die Kohlenstoffnanoröhren angeordnet
sind. Dabei enthält die Matrix in weniger als 98 Vol.-%
Nanostrukturen. Es ist auch möglich, die Läuferwicklung
22 auf
eine von der hier dargestellten Art abweichende Weise auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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