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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein Permanentmagnetmaschinen (PM-Maschinen)
wie beispielsweise elektrische Generatoren und/oder Elektromotoren.
Insbesondere betrifft diese Erfindung fehlertolerante PM-Maschinen.
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Viele
neue Flugzeugsysteme werden entworfen, um elektrische Lasten aufzunehmen,
die größer sind
als diejenigen bei derzeitigen Flugzeugsystemen. Die elektrischen
Systemspezifikationen kommerzieller Verkehrsflugzeugkonstruktionen,
die momentan entwickelt werden, können bis zu doppelt so viel
elektrische Leistung wie derzeitige kommerzielle Verkehrsflugzeuge
erfordern. Diese erhöhte
elektrische Leistungsanforderung muss aus mechanischer Leistung
abgeleitet werden, die von den Triebwerken entnommen wird, die das
Flugzeug antreiben. Wenn ein Flugzeugtriebwerk auf relativ niedrigen
Leistungsniveaus betrieben wird, z. B. bei einem Sinkflug aus einer
Höhe im
Leerlauf, kann eine Entnahme dieser zusätzlichen elektrischen Leistung
aus der mechanischen Leistung des Triebwerks die Fähigkeit, das
Triebwerk richtig zu betreiben, reduzieren.
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Herkömmlich wird
elektrische Leistung in einem Gasturbinentriebwerk von der Hochdruck-Triebwerkswelle
(HD-Triebwerkswelle) entnommen. Die relativ hohe Betriebsdrehzahl
der HD-Triebwerkswelle
macht sie zu einer idealen Quelle mechanischer Leistung, um die
mit dem Triebwerk verbundenen elektrischen Generatoren anzutreiben.
Jedoch ist es erwünscht,
Leistung aus zusätzlichen
Quellen innerhalb des Triebwerks zu ziehen, an statt einzig und allein
auf der HD-Triebwerkswelle zu beruhen, um die elektrischen Generatoren
anzutreiben. Die ND-Triebwerkswelle stellt eine alternative Leistungsübergabequelle
dar, wobei jedoch die verhältnismäßig geringere
Drehzahl der ND-Triebwerkswelle gewöhnlich die Verwendung eines
Getriebes erfordert, da langsam laufende elektrische Generatoren
häufig
größer sind als ähnlich bemessene
elektrische Generatoren, die bei höheren Drehzahlen arbeiten.
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PM-Maschinen
(oder Generatoren) stellen mögliche
Mittel zur Entnahme elektrischer Leistung aus der ND-Welle dar.
Jedoch erfordern Luftfahrtanwendungen eine Fehlertoleranz, wie dies
nachstehend erläutert
ist, wobei PM-Maschinen unter bestimmten Umständen Fehler erfahren können und existierende
Techniken für
fehlertolerante PM-Generatoren an Nachteilen, wie beispielsweise
erhöhter Größe und höherem Gewicht,
leiden.
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Wie
für Fachleute
bekannt, können
elektrische Generatoren Permanentmagnete (PM) als einen primären Mechanismus
zur Erzeugung magnetischer Felder hoher Stärken für eine elektrische Induktion
verwenden. Derartige Maschinen, die auch als PM-Maschinen bezeichnet werden, sind aus
weiteren elektrischen und mechanischen Komponenten, wie beispielsweise
einer Verkabelung oder Wicklungen, Wellen, Lagern und dergleichen,
ausgebildet, die die Umwandlung in elektrische Energie aus mechanischer
Energie ermöglichen,
wobei in dem Fall elektrischer Motoren das Umgekehrte gilt. Anders
als Elektromagnete, die mit elektrischer Energie gesteuert, z. B.
ein- und ausgeschaltet, werden können
bleiben Permanentmagnete stets „an”, d. h. Magnetfelder, die
von den Permanentmagneten erzeugt werden, bestehen aufgrund deren
inhärenter
ferromagnetischer Eigenschaften fort. Sollte eine elektrische Vorrichtung,
die einen Permanentmagneten aufweist, einen Fehler erfahren, kann
es folglich aufgrund des dauerhaften Magnetfeldes des Permanentmagne ten gegebenenfalls
nicht möglich
sein, die Vorrichtung passend anzuhalten, was dazu führen kann,
dass die Vorrichtung fortfährt
zu arbeiten. Derartige Fehler können
in Form von Fehlerströmen
auftreten, die infolge von Defekten in den Statorwicklungen oder
mechanischen Fehlern, die von fehlerhaften oder verschließenden mechanischen
Komponenten, die innerhalb der Vorrichtung angeordnet sind, erzeugt werden.
Somit kann die Unfähigkeit,
den Permanentmagneten während
der vorstehend erwähnten
oder anderer in Beziehung stehender Fehlerzustände zu steuern, die PM-Maschine
und/oder damit gekoppelte Vorrichtungen beschädigen.
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Ferner
vergrößern fehlertolerante
Systeme, die momentan in PM-Maschinen eingesetzt werden, deutlich
die Größe und das
Gewicht dieser Vorrichtungen, wodurch der Umfang von Anwendungen,
in denen derartige PM-Maschinen eingesetzt werden können, begrenzt
wird. Außerdem
erfordern derartige fehlertolerante Systeme überladene Konstruktionen komplizierter
Steuersysteme, die die Kosten der PM-Maschine deutlich steigern.
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Demgemäß besteht
ein Bedarf nach einer verbesserten fehlertoleranten PM-Maschine.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist eine PM-Maschine
geschaffen. Die PM-Maschine enthält
einen Stator, der einen Statorkern enthält, wobei der Statorkern mehrere
stufenförmige Statorschlitze
definiert. Der Stator enthält
mehrere konzentrierte Bruchlochwicklungen, die innerhalb der stufenförmigen Statorschlitze
gewickelt sind. Der Stator enthält
ferner wenigstens ein Kühlrohr,
das um die Wicklungen herum angeordnet ist. Der Stator enthält ferner
eine erste Isolierschicht, die um das Kühlrohr herum angeordnet ist.
Der Stator enthält
auch eine zweite Isolierschicht, die um die erste Isolierschicht
herum angeordnet ist. Der Stator enthält ferner wenigstens einen
Schlitzverschlusskeil, der konfiguriert ist, um eine Öffnung eines
jeweiligen einzelnen der stufenförmigen
Statorschlitze zu verschließen,
wobei der Schlitzkeil ferner konfiguriert ist, um eine Streuinduktivität in der
PM-Maschine anzupassen. Die PM-Maschine enthält ferner einen Rotor, der einen
Rotorkern aufweist und außerhalb
des Stators sowie konzentrisch zu diesem angeordnet ist, wobei der
Rotorkern eine Struktur geschichteter Magnetschlusseisenbleche enthält, die
um mehrere Magnete herum angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine PM-Maschine geschaffen. Die PM-Maschine enthält einen
Stator, der einen Statorkern enthält, wobei der Statorkern mehrere
stufenförmige
Statorschlitze definiert. Der Stator enthält mehrere konzentrierte Bruchlochwicklungen,
die innerhalb der stufenförmigen
Statorschlitze gewickelt sind. Der Stator enthält ferner eine erste Isolierschicht,
die rings um jede Windung der Wicklungen angeordnet ist. Der Stator
enthält
auch eine zweite Isolierschicht, die um die erste Isolierschicht
herum angeordnet ist. Der Stator enthält ferner wenigstens ein Kühlrohr, dass
zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht
angeordnet ist. Der Stator enthält ferner
wenigstens einen Schlitzkeil, der konfiguriert ist, um eine Öffnung eines
jeweiligen einzelnen der stufenförmigen
Statorschlitze zu verschließen,
wobei der Schlitzkeil ferner konfiguriert ist, um eine Streuinduktivität in der
PM-Maschine abzugleichen. Die PM-Maschine enthält ferner einen Rotor, der
einen Rotorkern aufweist und außerhalb
des Stators sowie konzentrisch zu dem Stator angeordnet ist, wobei
der Rotorkern eine geschichtete Magnetschlusseisenblechstruktur
enthält,
die um mehrere Magnete herum angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine PM-Maschine geschaffen. Die PM-Maschine enthält einen
Stator, der einen Statorkern enthält, wobei der Statorkern mehrere
stufenförmige
Statorschlitze definiert. Der Stator enthält mehrere konzentrierte Bruchlochwicklungen,
die im Inneren der stufenförmigen
Statorschlitze gewickelt sind. Der Stator enthält ferner eine erste Isolierschicht,
die um jede Windung der Wicklungen herum angeordnet ist. Der Stator
enthält
ferner eine zweite Isolierschicht, die um die erste Isolierschicht
herum angeordnet ist. Der Stator enthält auch wenigstens ein Kühlrohr,
das auf einer Außenseite
der zweiten Isolierschicht angeordnet ist. Der Stator enthält auch wenigstens
einen Schlitzkeil, der konfiguriert ist, um eine Öffnung eines
jeweiligen einzelnen der stufenförmigen
Statorschlitze zu verschließen,
wobei der Schlitzkeil ferner konfiguriert ist, um eine Streuinduktivität in der
PM-Maschine anzupassen. Die PM-Maschine
enthält
ferner einen Rotor, der einen Rotorkern aufweist und außerhalb
des Stators sowie konzentrisch zu diesem angeordnet ist, wobei der
Rotorkern eine geschichtete Magnetschlusseisenblechstruktur aufweist,
die um mehrere Magnete herum angeordnet ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Kühlrohrs
in einer PM-Maschine
offenbart. Das Verfahren enthält
ein Verwenden eines Einsatzes zum Bilden wenigstens eines Kühlrohrs,
wobei der Schritt des Verwendens des Einsatzes ein Durchführen einer
Unterdruckimprägnierung
enthält,
um ein Harz in die Form und um den Einsatz herum aufzubringen, um
mehrere Drähte
zu befestigen. Das Verfahren enthält ferner ein Aushärtenlassen
des Harzes. Das Verfahren enthält
ferner ein Entfernen des Einsatzes, so dass das ausgehärtete Harz
das wenigstens eine Kühlrohr
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in
den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen und in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung einer PM-Maschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
von Statorschlitzen in der PM-Maschine nach 1 unter
Veranschaulichung einer Magnetflussdichteverteilung;
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3 eine
Schnittansicht der Spulenwicklungen in der PM-Maschine nach 1, die Isolationszwischenschichten
enthält,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ein
Flussdiagramm, das repräsentativ Schritte
in einem Verfahren zum Herstellen einer PM-Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5 eine
schematisierte Darstellung einer beispielhaften PM-Maschine, die
Kühlrohre
als ein Mechanismus zum Wärmemanagement
enthält,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
schematisierte Darstellung einer weiteren beispielhaften Kühlanordnung
für die PM-Maschine
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
schematisierte Darstellung einer noch weiteren beispielhaften Kühlanordnung
für die PM-Maschine
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung und
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8 ein
Flussdiagramm, das repräsentativ Schritte
in einem Verfahren zum Erzeugen von Kühlrohren in einer PM-Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
nachstehend in Einzelheiten erläutert, sind
Ausführungsformen
der Erfindung auf fehlertolerante Permanentmagnetmaschinen gerichtet.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Ausdruck „fehlertolerant” eine magnetische
und physikalische Entkopplung zwischen verschiedenen Maschinenspulen/-phasen
unter gleichzeitiger Reduktion von Lärm, Drehmomentrippeln und harmonischen Flussoberschwingungen.
Zusätzlich
haben die verbesserten fehlertoleranten PM-Maschinen eine höhere Leistungsdichte
und einen höheren
Leistungswirkungsgrad. Außerdem
vergrößern Ausführungsformen
der Maschinenkonfiguration die Induktivität, um den Fehlerstrom zu reduzieren
und eine gewünschte
Spannungsstabilisierung zu erzielen.
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1 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer Permanentmagnetmaschine (PM-Maschine) 10.
Die PM-Maschine 10 enthält
einen Stator 12 mit einem Statorkern 14. Der Statorkern 14 definiert mehrere
stufenförmige
Statorschlitze 16, die mehrere konzentrierte Bruchlochwicklungen 18 enthalten, die
innerhalb der stufenförmigen
Statorschlitze 16 gewickelt sind. Die konzentrierten Bruchlochwicklungen
erzielen eine magnetische und physikalische Entkopplung zwischen
verschiedenen Phasen und Spulen der PM-Maschine 10. In
der veranschaulichten Ausführungsform
haben die stufenförmigen
Statorschlitze 16 eine zweistufige Konfiguration. In anderen
Ausführungsformen
können
die stufenförmigen
Statorschlitze 16 mehr als zwei Stufen enthalten. In einer
speziellen Ausführungsform
sind die konzentrierten Bruchlochwicklungen 18 radial innen
auf einer ersten Stufe der zweistufigen Konfiguration und radial
außen
auf einer zweiten Stufe der zweistufigen Konfiguration gewickelt.
In anderen Ausführungsformen
weisen die konzentrierten Bruchlochwicklungen mehrere Litzendrähte auf.
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Wenigstens
ein Schlitzverschlusskeil 22 verschließt eine Öffnung eines jeweiligen einzelnen
der stufenförmigen
Statorschlitze 16. Dies ermöglicht eine Anpassung der Streuinduktivität in der
PM-Maschine 10. In einem Beispiel liegt die Streuinduktivität in einem
Bereich zwischen etwa 100 μH
bis etwa 110 μH.
In einer Ausführungsform
enthält
der Schlitzkeil ein Eisenepoxidharz. Weitere geeignete Schlitzkeilmaterialien
umfassen, ohne Einschränkung, nichtmagnetische
Materialien, Keramik und Epoxid. Ein Rotor 24, der einen
Rotorkern 26 enthält,
ist an der Außenseite
des Stators 12 und konzentrisch zu diesem angeordnet. In
einer Ausführungsform
enthält
der Rotorkern 26 mehrere axiale Segmente, die gegeneinander
elektrisch isoliert sind, um Wirbelstromverluste zu reduzieren.
Der Rotorkern 26 enthält
eine geschichtete magnetische Rückschlusseisenstruktur 28,
die um mehrere Magnete 30 herum angeordnet ist. Die Magnete
sind auch in Axialrichtung segmentiert, um Wirbelstromverluste zu
reduzieren. In einem nicht beschränkenden Beispiel enthält jeder
Magnet einhundert (100) Segmente. Die Magnetschlusseisenblechstruktur 28 ist
mehrschichtig bzw. geblecht, um Wirbelstromverluste aufgrund unerwünschter
harmonischer Oberschwingungskomponenten des in dem Stator 12 erzeugten
Magnetflusses zu reduzieren. In einer speziellen Ausführungsform
enthält
die PM-Maschine 10 wenigstens einen Haltering 32,
der rings um die Magnetschlusseisenstruktur 28 angeordnet
ist, um die Magnete 30 zu haltern. In einem nicht beschränkenden
Beispiel weist der Haltering 32 Kohlenstofffaser auf. Weitere geeignete
Halteringmaterialien umfassen, ohne Einschränkung, Inconel und Kohlenstoffstahl.
In einer anderen Ausführungsform
ist der Haltering 32 vorgespannt, um Alterungs- bzw. Ermüdungseffekte
auf ein Minimum zu reduzieren und die Lebensdauer des Rotors 24 zu
verlängern.
In einer noch weiteren Ausführungsform
weist die PM-Maschine 10 eine Leistungsdichte in einem
Bereich zwischen etwa 1,46 kW/kG bis etwa 1,6 kW/kg auf. In der
veranschaulichten Ausführungsform
weist die PM-Maschine 10 eine von innen nach außen umgestülpte Konfiguration auf,
in der der Rotor 24 außerhalb
des Stators 12 umläuft.
In anderen Ausführungsformen
kann der Rotor 24 im Inneren des Stators 12 angeordnet
sein. In noch weiteren Ausführungsformen
kann die Maschine 10 mehrere Phasen enthalten.
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Statorschlitze 16 (1) unter
Veranschaulichung der Magnetflussdichteverteilung 42. Wie
hierin veranschaulicht, sind Statorzähne 44, die von Spulen 46 umwickelt
sind, und Statorzähne 48,
die nicht umwickelt sind, ähnlichen
Magnetflussdichten ausgesetzt, was eine gewünschte Nutzung von Kupfer für die Wicklungen
und Eisen für
die geschichteten Magnetschlusseisenbleche im Vergleich zu herkömmlichen Statorschlitzkonfigurationen
anzeigt. Dies verbessert die Leistungsdichte der Maschine. Außerdem weist die
PM-Maschine 10 zur Vereinfachung der Herstellung und zur
Maximierung der Schlitznutzung offene Schlitze 16 auf (1),
so dass die Spulen 46 ins Innere der Schlitze eingesenkt
werden können.
Die Schlitze 52 sind mittels des Schlitzkeils 22 verschlossen,
wie er in 1 eingetragen und veranschaulicht ist.
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3 zeigt
eine Schnittansicht von Spulenwicklungen 62 unter Veranschaulichung
einer Isolierung zur Reduzierung der Gefahr des Auftretens eines
Windungsschlusses. Die Wicklungen 62 enthalten mehrere
Bündel
von Litzen oder Adern (nicht veranschaulicht). In einer Ausführungsform
sind die Wicklungen 62 durch mehrere Litzendrähte gebildet. Eine
Isolierschicht, die auch als „Litzenisolation” bezeichnet
wird, ist um jede Litze bzw. Ader herum geschlungen. Ferner kann
eine weitere (nicht veranschaulichte) Isolierschicht um jede der
Wicklungen 62 herum überzogen
sein. Eine Grundwandisolierung 66 ist ebenfalls umlaufend
um die Wicklungen 62 herum gelegt. Die Grundwandisolierung 66 reduziert
die Gefahr eines Windungsschlusses und erhöht demgemäß die Betriebssicherheit der
Maschine. In einer speziellen Ausführungsform enthält die Grundwandisolierung 66 Glimmer
und/oder ein Polyimid. In einem nicht beschränkenden Beispiel ist das Polyimid
Kapton®.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm, das repräsentativ
Schritte in einem Verfahren zum Herstellen einer PM-Maschine zeigt.
Das Verfahren enthält
in Schritt 92 ein Bereitstellen eines Stators, der einen Statorkern
enthält,
der mehrere stufenförmige
Statorschlitze definiert. In einer speziellen Ausführungsform
weisen die stufenförmigen
Statorschlitze eine zweistufige Konfiguration auf. Das Verfahren
enthält ferner
ein Bilden mehrerer Bruchlochwicklungen in Schritt 94.
Die Bruchlochwicklungen werden in Schritt 96 in jeweilige
einzelne der stufenförmigen Statorschlitze
eingesenkt. In einer Ausführungsform weist
der Schritt 94 ein Wickeln der Wicklungen radial innen
auf einer ersten Stufe der zweistufigen Konfiguration und radial
außen
auf einer zweiten Stufe der zweistufigen Konfiguration auf. Wenigstens
eine Öffnung
eines jeweiligen einzelnen der stufenförmigen Statorschlitze wird
in Schritt 98 mittels eines Schlitzverschlusskeiles bedeckt.
In Schritt 100 wird außerhalb
des Stators und konzentrisch zu diesem ein Rotor angeordnet, der
einen Rotorkern enthält.
Der Rotorkern enthält
eine geschichtete Magnetschlusseisenblechstruktur, die um mehrere
axial segmentierte Magnete herum angeordnet wird. In einer speziellen Ausführungsform
enthält
der Rotorkern mehrere axiale Segmente. In einer anderen Ausführungsform wird
wenigstens ein Haltering rings um die Magnetschlusseisenstruktur
angeordnet. In Ausführungsformen,
in denen mehrere Halteringe verwendet werden, liegt aufgrund der
gewünschten
Materialnutzung, eine Nettoreduktion der gesamten Hülsendicke vor.
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5 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften PM-Maschine 110,
die Kühlrohre 114 als
ein Mecha nismus zum Wärmemanagement enthält. In der
veranschaulichten Ausführungsform sind
die Kühlrohre 114 um
konzentrierte Bruchlochwicklungen 116 herum angeordnet.
In einer speziellen Ausführungsform
sind die Wicklungen 116 Litzendrähte. Um die Kühlrohre 114 herum
ist eine erste Isolierschicht 118 angeordnet. Außerdem ist
eine zweite Isolierschicht 120 um die erste Isolierschicht 118 herum
angeordnet. In einer Ausführungsform sind
die erste Isolierschicht 118 und die zweite Isolierschicht 120 aus
wenigstens entweder Glimmer und/oder Polyimid ausgebildet. Eine
Epoxidharzschicht 122 befestigt die Kühlrohre 114 an den
Wicklungen 116. In einer speziellen Ausführungsform
ist rings um eine Außenschicht
der Wicklungen 116 an einer Stelle, an der die Wicklungen 116 aus
dem Statorkern austreten, eine dritte Isolierschicht, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt,
aus einer „breiigen
Glimmermasse” angeordnet,
um die Isolationsbeanspruchung an einem Punkt der Stelle zu reduzieren.
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6 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer anderen beispielhaften Kühlanordnung
für eine PM-Maschine.
In der veranschaulichten Ausführungsform
sind die Kühlrohre 114 (5)
zwischen der ersten Isolierschicht 118 und der zweiten
Isolierschicht 120 angeordnet. Die erste Isolierschicht 118 ist
rings um die Wicklungen herum angeordnet und über eine Epoxidharzschicht 122 an
den Wicklungen angebracht. Die erste Isolierschicht erzielt ein
Maß an
elektrischer Isolierung zwischen der Wicklung 116 und den
Kühlrohren 114,
die elektrisch leitend sein können.
Dies minimiert die Gefahr eines Kurzschlusses entlang der Wicklung 116.
Zusätzlich
muss die erste Isolierschicht 118 an dem Kernende nicht
unterbrochen sein, um zu ermöglichen,
dass eine Öffnung für die Kühlrohre 114 dem
Kühlfluid
ausgesetzt wird, und/oder eine Verbindung zu einem Kühlverteiler
zu schaffen. Dies reduziert ebenfalls die Gefahr von Problemen im
Zusammenhang mit elektrischen Durchschlägen.
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Während dies
elektrisch robuster ist, erhöht die
erste Isolierschicht 118 zwischen der Wicklung 116 und
den Kühlrohren 114 den
Wärmedurchlasswiderstand
zwischen der Wicklung 116 und einem Kühlmittel. In einer speziellen
Ausführungsform
ist eine dritte Isolierschicht, wie beispielsweise, jedoch nicht
darauf beschränkt,
aus „Glimmerbrei”, um eine Außenschicht
der Wicklungen 116 herum an einer Stelle angeordnet, an
der die Wicklungen 116 aus dem Statorkern austreten, um
die Isolationsbeanspruchung an einem Übergangspunkt zu reduzieren.
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7 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer weiteren beispielhaften Kühlanordnung
für eine PM-Maschine.
In der veranschaulichten Ausführungsform
sind die Kühlrohre 114 (5)
auf einer Außenseite
der zweiten Isolierschicht 120 angeordnet. Die erste Isolierschicht 118 ist
rings um die Wicklungen angeordnet und mittels einer Epoxidharzschicht 122 an
den Wicklungen angebracht. Die erste und die zweite Isolierschicht
ergeben einen Grad der elektrischen Isolierung zwischen der Wicklung 116 und
den Kühlrohren 114,
die elektrisch leitend sein können,
der sogar größer ist
als derjenige, der durch die Konfiguration gemäß 6 erzielt
wird. Dies minimiert ferner die Gefahr eines Kurzschlusses entlang
der Wicklung. Außerdem
müssen
an dem Kernende die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht
nicht unterbrochen sein, um einer Öffnung für das Kühlrohr zu ermöglichen,
dem Kühlfluid
ausgesetzt zu sein, und/oder eine Verbindung zu einem Kühlverteiler
schaffen zu können.
Dies reduziert ferner die Gefahr von Problemen im Zusammenhang mit
elektrischen Durchschlägen über die
Reduktion hinaus, die bei der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
erzielt wird. Während
sie elektrisch widerstandsfähiger
sind, vergrößern die
erste Isolierschicht 118 und die zweite Isolierschicht 120 zwischen
der Wicklung 116 und den Kühlrohren 114 den Wärmedurchlasswiderstand
zwischen der Wicklung 116 und einem Kühlmittel. In einer Ausführungsform kann
eine drit te Isolierschicht, die auch als „Schlitzauskleidung” bezeichnet
wird, an den Wänden
der Statorschlitze angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform
kann eine vierte Isolierschicht, wie beispielsweise, jedoch nicht
darauf beschränkt,
aus Kapton®,
rings um die Kühlrohre 114 geschlungen
sein.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm, das repräsentativ
Schritte in einem Verfahren zum Erzeugen von Kühlrohren in einer PM-Maschine zeigt. Das
Verfahren enthält
ein Verwenden eines Einsatzes zum Bilden wenigstens eines einzigen
Kühlrohrs
in Schritt 132. In einer speziellen Ausführungsform
wird in Schritt 134 eine Unterdruckimprägnierung durchgeführt, um
ein Harz zum Anbringen mehrerer Drähte aufzubringen. Das Harz
wird in Schritt 136 aushärten gelassen. Der Einsatz
wird in Schritt 138 entfernt, so dass das ausgehärtete Harz
das wenigstens eine Kühlrohr
definiert.
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PM-Maschinen,
wie sie vorstehend beschrieben sind, können in vielfältigen Anwendungen
eingesetzt werden. Eine von diesen enthält Flugzeuganwendungen, wie
beispielsweise in Flugtriebwerken. Insbesondere können die
PM-Maschinen ein PM-Generator sein, der zum Erzeugen zusätzlicher
elektrischer Leistung ausgehend von einem rotierenden Element, wie
beispielsweise einer Niederdruck-Turbinenwelle (ND-Turbinenwelle),
eines in einem Flugzeug montierten Turbofan-Triebwerks verwendet wird.
Die PM-Maschinen können
auch für
andere, nicht beschränkende
Beispiele, wie beispielsweise Beförderungsanwendungen, Windkraftanlagen
und Gasturbinen, Anlassergeneratoren für Luftfahrtanwendungen, industrielle
Anwendungen und Einrichtungen, verwendet werden.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
einer PM-Maschine, wie vorstehend beschrieben, ergeben somit einen
Weg zur Schaffung einer PM-Maschine mit hoher Leistungsdichte, Betriebssicher heit
und Fehlertoleranz. Die PM-Maschine ermöglicht ferner eine innovative
Wärmemanagementeinrichtung,
die eine verbesserte Leistungsdichte ermöglicht. Außerdem arbeitet die PM-Maschine
mit minimalem Lärm, minimalen
Schwingungen, Wirbelstromverlusten und Drehmomentrippeln selbst
bei hohen Betriebsdrehzahlen und hohen Betriebstemperaturen. Diese Techniken
und Systeme schaffen auch Voraussetzungen für hoch effiziente Permanentmagnetmaschinen.
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Natürlich ist
es zu verstehen, dass gegebenenfalls nicht notwendigerweise all
derartige vorstehend beschriebene Ziele oder Vorteile entsprechend jeder
beliebigen speziellen Ausführungsform
erreicht werden können.
Somit werden Fachleute beispielsweise erkennen, dass die Systeme
und Techniken, wie sie hierin beschrieben sind, auf eine Weise verwirklicht
oder ausgeführt
werden können,
die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie hierin gelehrt,
erreicht oder optimiert, ohne notwendigerweise andere Ziele oder
Vorteile zu erreichen, wie sie hierin gelehrt oder angezeigt sein
können.
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Außerdem wird
der Fachmann die Austauschbarkeit verschiedener Merkmale aus unterschiedlichen
Ausführungsformen
erkennen. Beispielsweise kann die Verwendung eines axial segmentierten
Rotorkerns, wie im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben, zur
Verwendung mit einer zweistufigen Statorschlitzkonfiguration angepasst
werden, wie im Zusammenhang mit einer anderen Ausführungsform
beschrieben. In ähnlicher
Weise können
die verschiedenen beschriebenen Merkmale sowie andere bekannte Äquivalenzen für jedes
Merkmal durch einen Fachmann auf diesem Fachgebiet miteinander vermischt
und aneinander angepasst werden, um weitere Systeme und Techniken
gemäß den Prinzipien
dieser Offenbarung zu konstruieren.
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Während lediglich
bestimmte Merkmale dieser Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben worden
sind, werden Fachleuten auf dem Fachgebiet viele Modifikationen
und Veränderungen
einfallen. Es ist folglich zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche all
derartige Modifikationen und Veränderungen,
soweit sie in den wahren Rahmen der Erfindung fallen, mit abdecken
sollen.
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Es
ist eine PM-Maschine 110 geschaffen. Die PM-Maschine 110 enthält einen
Stator 12, der einen Statorkern 14 enthält, wobei
der Statorkern 14 mehrere stufenförmige Statorschlitze 16 definiert. Der
Stator 12 enthält
mehrere konzentrierte Bruchlochwicklungen 18, die innerhalb
der stufenförmigen Statorschlitze 16 gewickelt
sind. Der Stator 12 enthält ferner wenigstens ein Kühlrohr 114,
das um die Wicklungen 18 angeordnet ist. Der Stator 12 enthält ferner eine
erste Isolierschicht 118, die um das Kühlrohr 114 herum angeordnet
ist. Der Stator enthält
auch eine zweite Isolierschicht 120, die um die erste Isolierschicht 118 herum
angeordnet ist. Der Stator enthält ferner
wenigstens einen Schlitzkeil 20, der konfiguriert ist,
um eine Öffnung
eines jeweiligen einzelnen der stufenförmigen Statorschlitze zu verschließen, wobei
der Schlitzkeil 20 ferner konfiguriert ist, um eine Streuinduktivität in der
PM-Maschine einzustellen.
Die PM-Maschine enthält
ferner einen Rotor 24, der einen Rotorkern 26 aufweist
und außerhalb
des Stators 12 sowie konzentrisch zu diesem angeordnet ist,
wobei der Rotorkern 26 eine geschichtete Magnetschlusseisenstruktur 28 aufweist,
die um mehrere Magnete herum angeordnet ist.
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- 10
- Permanentmagnetmaschine
(PM-Maschine)
- 12
- Stator
- 14
- Statorkern
- 16
- Statorschlitze
- 18
- konzentrierte
Bruchlochwicklungen
- 22
- Schlitz(verschluss)keil
- 24
- Rotor
- 26
- Rotorkern
- 28
- Geschichtete
Magnetschlusseisenblechstruktur
- 32
- Haltering
- 42
- Magnetflussdichteverteilung
- 44
- Statorzähne, die
umwickelt sind
- 46
- Spulen
- 48
- Statorzähne, die
nicht umwickelt sind
- 62
- Spulenwicklungen
- 66
- Grundwandisolierung
- 92
- Bereitstellen
eines Stators, der einen Statorkern enthält, der mehrere stufenförmige Statorschlitze
definiert
- 94
- Bilden
mehrerer Bruchschlitzwicklungen
- 96
- Einbringen
der Teilschlitzwicklungen in jeweilige einzelne der stufenförmigen Statorschlitze
- 98
- Bedecken
wenigstens einer Öffnung
eines jeweiligen einzelnen der stufenförmigen Statorschlitze mittels
eines Schlitzkeils
- 100
- Anordnen
eines Rotors, der einen Rotorkern aufweist, außerhalb und konzentrisch zu
dem Stator, wobei der Rotorkern eine geschichtete Magnetschlusseisenblechstruktur
aufweist, die rings um mehrere Magnete angeordnet ist
- 110
- Beispielhafte
PM-Maschine
- 114
- Kühlrohre
- 116
- Konzentrierte
Bruchlochwicklungen
- 118
- Erste
Isolierschicht
- 120
- Zweite
Isolierschicht
- 122
- Epoxidharzschicht
- 132
- Verwenden
eines Einsatzes, um wenigstens ein Kühlrohr auszubilden
- 134
- Durchführen einer
Unterdruckimprägnierung
- 136
- Aushärtenlassen
des Harzes
- 138
- Entfernen
des Einsatzes