DE102010001481A1

DE102010001481A1 - Rotor einer permanenterregten Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102010001481A1
Application number: DE102010001481A
Authority: DE
Inventors: Dominik 97616 Bach; Daniel 97616 Mader; Rolf 36129 Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-04
Also published as: US20120025654A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor (1) für eine permanenterregte Synchronmaschine mit Permanentmagneten (3) auf dem Rotor (1), wobei die Permanentmagnete (3) auf der Umfangsfläche eines Grundkörpers (16) des Rotors (1) angeordnet sind und so magnetische Pole (6) ausbilden, wobei jeder magnetische Pol (6) in Umfangsrichtung durch mindestens zwei Permanentmagneten (3) gebildet ist, und wobei der Abstand an den Polkanten (17) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) kleiner ist als von der Polmitte (18) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) und wobei in den Abschnitten zwischen den Polmitten (18) benachbarter Pole Füllelemente (4) positioniert sind, und durch eine Bandage (5) an den Permanentmagneten (5) fixiert sind, derart, dass der Rotor (1) eine im Wesentlichen zylindrische Umfangsfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer permanenterregten Synchronmaschine für hohe Drehzahlen.
Dynamoelektrische permanenterregte Synchronmaschinen für hohe Umfangsgeschwindigkeiten weisen meist hohe Eisen- und Wirbelstromverluste auf. Dies führt zu unerwünscht hohen Erwärmungen im Blechpaket von Stator und Rotor, als auch auf den Permanentmagneten des Rotors. Die Gesamtverluste setzen sich zusammen aus Verlusten erzeugt durch die Grundwelle und Verluste erzeugt durch die Oberwellen. Wenn die Verluste durch Oberwellen reduziert werden, wird eine insgesamt geringere Erwärmung erreicht. Bei gleicher Erwärmung können aber auch höhere Grundwellenverluste zugelassen werden und damit kann auch eine höhere Ausgangsleistung erreicht werden.
Um insbesondere die Verluste durch Oberwellen zu verringern wurden derartige Maschinen mit vergleichsweise geringer Luftspaltinduktion gebaut. Damit ist neben der Oberwelleninduktion aber auch die Grundwelleninduktion vergleichsweise gering. Die Drehmomente jedoch sind ungefähr proportional zur Induktion der Grundwelle. Damit sind bei zulässigem Niveau der Gesamtverluste nur vergleichsweise geringe Motordrehmomente möglich.
Um Zentrifugalkräfte aufzunehmen ist aus der DE 10 2006 049 825 A1 eine Anordnung zur Befestigung von Permanentmagneten an schnell drehenden Rotoren bekannt, wobei durch ineinander greifende Permanentmagnete und Profilteile die Radialkräfte aufgenommen werden.
Aus der EP 1 780 870 A1 sind Haltelemente eines Rotors beschrieben, die durch schwalbenschwanzähnliche Eingreifelemente in einen Rotor eingreifen und dadurch die Permanentmagnete radial fixieren.
Aus der DE 103 94 041 T5 ist ein Permanentmagnetmotor bekannt, dessen Rotor in Umfangsrichtung betrachtet unterschiedliche Luftspaltbreiten aufweist, und die Permanentmagnete, die in Magnetschlitzen des Rotors angeordnet sind, diesem veränderlichen Luftspalt angepasst sind, um Verzahnungsdrehmomente zu verringern.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine mit auf der Oberfläche eines Grundkörpers angeordneten Permanentmagneten zu schaffen, bei dem die Oberwelleninduktion vergleichsweise gering ist, eine einfache Montage des Rotors gewährleistet ist, als auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten die Zentrifugalkräfte aufgenommen werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine mit Permanentmagneten auf dem Rotor, wobei die Permanentmagnete auf der Umfangsfläche eines Grundkörpers des Rotors angeordnet sind und so magnetische Pole ausbilden, wobei jeder magnetische Pol in Umfangsrichtung durch mindestens zwei Permanentmagneten gebildet ist, und wobei der Abstand an den Polkanten zur Mitte des Grundkörpers kleiner ist als von der Polmitte zur Mitte des Grundkörpers und wobei in den Abschnitten zwischen den Polmitten benachbarter Pole Füllelemente positioniert sind, und durch eine Bandage an den Permanentmagneten fixiert sind, derart, dass der Rotor eine im Wesentlichen zylindrische Umfangsfläche aufweist.
Die Vergrößerung des magnetischen Luftspalts an den Polkanten führt zu einer Reduzierung der Oberwellen des magnetischen Luftspaltfeldes der permanenterregten Synchronmaschine. Damit werden die Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Eisen des Stators als auch des Rotors reduziert. Durch die Aufteilung eines magnetischen Pols vorzugsweise in mehrere isolierte Einzelmagnete werden zusätzlich Wirbelstromverluste in den elektrisch leitfähigen Permanentmagneten reduziert. Dies führt zu dynamoelektrischen Maschinen mit vergleichsweise hoher Leistung.
Ein magnetischer Pol ist in Umfangsrichtung betrachtet vorzugsweise in zwei oder fünf Abschnitte bzw. Einzelmagnete unterteilt. Weniger günstig sind Teilungen mit drei oder vier Magneten in Umfangsrichtung pro Magnetpol, da damit störende Oberwellen mit dem fünf- oder siebenfachen der Grundwelle entstehen, die die Drehmomentwelligkeit äußerst negativ beeinflussen.
Damit, dass die Drehmomentwelligkeit somit nahezu gleichmäßig ist, kann auf weitergehende bekannte Maßnahmen, wie z. B. Schrägung des magnetischen Pols, verzichtet werden, was die Herstellung des Rotors vereinfacht und somit Kosten vermeidet.
Durch die Füllelemente und der Bandage wird nunmehr eine nahezu zylindrische Umfangsfläche des Rotors geschaffen. Aufgrund dieser nunmehr zylindrischen Umfangsfläche des Rotors werden die Luftreibungsverluste, insbesondere bei hohen Drehzahlen im Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine während ihres Betriebes vergleichsweise gering gehalten.
Derartige Rotoren werden insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen eingesetzt, bei denen Drehzahlen bis zu 70000 U/min und darüber gefahren werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1, 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors,
2 die Anordnung eines Rotors in einem Stator.
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors 1, der aus geschichteten Blechen 2 einen Grundkörper 16 bildet, wobei der Grundkörper 16 Ausnehmungen 7 aufweist, die zum einen der Kühlung dienen und zum anderen eine reduzierte Trägheit des Rotors 1 schaffen. Dies ist insbesondere für ein dynamisches Betriebsverhalten von Vorteil. Auf der Oberfläche des Grundkörpers 16 befinden sich Permanentmagnete 3, wobei in diesem Fall in Umfangsrichtung betrachtet jeweils fünf Permanentmagnete einen magnetischen Pol 6 bilden. Es handelt sich in diesem Fall um einen vierpolige Rotor 1. Die Polbedeckung, die Oberwellenpegel beeinflusst ist bei den Vorliegenden Ausführungsbeispielen unter 100%.
In axialer Richtung eines magnetischen Pols 6 sind dementsprechend je nach axialer Länge des Rotors 1 oder der geometrischen Abmessung eines Permanentmagneten 3 weitere Permanentmagnete 3 vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete 3 eines magnetischen Pols 6 gegeneinander isoliert, um so die Wirbelstromverluste zu reduzieren. Dabei sind beispielsweise die Permanentmagnete 3 mit einer geeigneten Beschichtung 20 versehen.
Im Bereich der Pole 6 weist dieser Grundkörper 16 Auswölbungen 19 auf. Durch Anordnung von Permanentmagneten 3 auf den Auswölbungen 19 stellt sich zwischen Polmitte 18 und Polkante 17 ein unterschiedlicher Abstand zur Mitte 8 des Grundkörpers 16 ein.
Bei eingebautem Rotor 1 in eine Statorbohrung 14 einer permanenterregten Synchronmaschine stellt sich, in Umfangsrichtung betrachtet ein unterschiedlicher magnetischer Luftspalt ein. In der Polmitte 18 ist der magnetische Luftspalt kleiner als an den Polkanten 17.
Um die Permanentmagnete 3 gegen die Zentrifugalkräfte zu fixieren ist eine Bandage 5 vorgesehen. Diese hält aber in erster Linie den oder die Permanentmagnete 3 im Bereich der Polmitte 18. Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten wären somit die Polkanten 17 den Zentrifugalkräften ausgesetzt. Um dabei nunmehr, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten die auf die Permanentmagnete 3 im Bereich der Polkante 17 bzw. in der Pollücke wirkenden Zentrifugalkräfte aufnehmen zu können, werden erfindungsgemäß Füllelemente 4 im Bereich dieser Pollücken, also zwischen den Polmitten 18 benachbarter Pole 6 angeordnet.
Durch diese Füllelemente 4 wird die Oberfläche des Rotors 1 zylinderförmig ausgestaltet. Insbesondere durch eine zusätzliche Bandage 5 aus Metall, z. B. Stahl oder einem Faserverbundwerkstoff, z. B. GFK oder CFK, die gleichzeitig die Füllelemente 4 auf die, insbesondere im Bereich der Polkante befindlichen Permanentmagnete 3 presst, wird somit für ein ausreichender Halt dieser Permanentmagnete 3 am Grundkörper des Rotors 1 vor allem bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten erreicht. Vorteilhafterweise besteht die Magnetteilung pro Pol 6 in Umfangsrichtung aus zwei oder fünf Permanentmagneten 3. Vorteilhafterweise sind diese Permanentmagnete 3 identisch und in ihrem Krümmungsradius dem Krümmungsradius der Auswölbung 19 angepasst.
Weniger vorteilhaft sind Teilungen von drei oder vier Permanentmagneten, weil damit die Oberwellen des fünf- und siebenfachen der Grundwelle entstehen.
In axialer Richtung des Rotors 1 orientiert sich die Anzahl der Permanentmagnete 3 u. a. an der axialen Länge bzw. an der Handhabbarkeit.
Mit diesen vorteilhaften Magnetteilungen wird nunmehr die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert, so dass auf allseits bekannte Maßnahmen, wie Schrägungen der magnetischen Pole 6 im axialen Verlauf des Rotor 1 vermieden werden können. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung der Herstellungskosten.
Die Füllelemente 4 bestehen insbesondere aus verstärkten Duroplasten. Duroplaste sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformbar sind. Sie sind glasartige, harte Polymerwerkstoffe, wobei sich eine dreidimensionale Vernetzung beim Mischen von Vorprodukten ergibt. Dazu zählen Aminoplaste, Phenoplaste und auch Epoxidharze. Vorteile dieses Werkstoffes sind dabei die vergleichsweise hohe thermomechanische Festigkeit und das im Vergleich zu Metall geringe spezifische Gewicht. Damit wird die Trägheit des Rotors 1 im dynamischen Betrieb der dynamoelektrischen Maschine weiter reduziert.
Des Weiteren eignen sich auch Hochtemperaturthermoplaste als Füllelemente 4. Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich thermoplastisch verformen lassen. Als Füllelemente 4 eigenen sich insbesondere Polyamide (PA), Polyetheretherketon (PEEK) und Polypropylenstyrol (PPS).
Zusammen mit einer hochfesten Bandage 5, die am Außenumfang des Rotors 1 vorgesehen ist, sind nunmehr hohe Drehzahlen von über 70000 U/min der dynamoelektrischen Maschine möglich.
Die Füllelemente 4 können als vorgefertigte Formteile oder formlos auf dem mit Permanentmagneten 3 versehenen Grundkörper 16 aufgebracht und ggf. ergänzend durch die Bandage 5 in ihre Form gebracht werden. Für das formlose Aufbringen eignet sich insbesondere ein Verguss mit niederviskosen gefüllten Kunstharzen oder kittartige, gefüllte Kunstharze bzw. erweichte, gefüllte Thermoplaste.
Gefüllte Thermo- und Duroplaste eignen sich besonders für die Füllelemente 4, da diese einem dem Stahl ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein dem Stahl ähnliches Dichte-E-Modul Verhältnis aufweist. Somit ist eine gute Zusammenwirkung von einer Bandage 5 mit derartigen Füllelement 4 gegeben.
Durch die Füllelemente 4 wird eine zylindrische oder im Wesentlichen zylindrische Form des Rotors 1 geschaffen und damit ein gleichmäßig hoher Anpressdruck auf die Permanentmagnete 3 beim Bandagieren erreicht. Dies führt außerdem aufgrund der exakten Zylinderform zu einer Reduzierung der Luftreibungsverluste im geometrischen Luftspalt 13 der dynamoelektrischen Maschine.
2 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung einen Rotor 1 in einer Statorbohrung 14 einer nicht näher dargestellten permanenterregten Synchronmaschine, wobei der Stator 10 radial nach Innen weisende Zähne 11 aufweist, die in diesem Fall von jeweils einer Zahnspule 12 umgeben sind und im Betrieb ein magnetisches Feld erzeugen, das mit dem Rotor 1 wechselwirkt und somit ein Drehmoment erzeugt.
Alternativ dazu kann selbstverständlich das Wicklungssystem der dynamoelektrischen Maschine auch klassisch, d. h. mit gesehnten Spulen ausgeführt sein, dabei befindet sich dann Hin- und Rückleiter einer Spule nicht in benachbarten Nuten 15.
3 zeigt in einer alternativen Ausführungsform einen erfindungsgemäßen Rotor 1, bei dem der Grundkörper 16 des Rotors 1 zylindrisch ist, aber ein in Umfangrichtung betrachtet unterschiedlicher magnetischer Luftspalt durch unterschiedlich geformte Permanentmagnete 3 eines magnetischen Pols 6 erreicht wird. Konstruktiv wird dabei in gleicher Art und Weise wie bei der Ausführungsform gemäß 1 durch Füllelemente 4 und eine Bandage 5 die Fliehkräfte im Betrieb aufgenommen und eine zylindrische Form des Rotors 1 erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049825 A1 [0004]
EP 1780870 A1 [0005]
DE 10394041 T5 [0006]

Claims

Rotor (1) für eine permanenterregte Synchronmaschine mit Permanentmagneten (3) auf dem Rotor (1), wobei die Permanentmagnete (3) auf der Umfangsfläche eines Grundkörpers (16) des Rotors (1) angeordnet sind und so magnetische Pole (6) ausbilden, wobei jeder magnetische Pol (6) in Umfangsrichtung durch mindestens zwei Permanentmagneten (3) gebildet ist, und wobei der Abstand an den Polkanten (17) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) kleiner ist als von der Polmitte (18) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) und wobei in den Abschnitten zwischen den Polmitten (18) benachbarter Pole Füllelemente (4) positioniert sind, und durch eine Bandage (5) an den Permanentmagneten (5) fixiert sind, derart, dass der Rotor (1) eine im Wesentlichen zylindrische Umfangsfläche aufweist.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (4) ein verstärkter Duroplast oder Hochtemperaturthermoplast ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (4) als Formteil oder formlos zwischen den Polmitten (18) des Rotors (1) aufgebracht ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (5) aus Metall oder einem Faserverbundwerkstoff ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder magnetische Pol (6) in Umfangsrichtung betrachtet vorzugsweise zwei oder fünf Permanentmagnete (3) aufweist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) zylindrisch ausgebildet ist und die Permanentmagnete (3) derart ausgebildet sind, dass der Abstand an den Polkanten (17) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) kleiner ist als von der Polmitte (18) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16).
Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) mit Auswölbungen (19) und darauf angeordneten, magnetische Pole (6) bildende Permanentmagneten (3) gleicher Form und Dicke versehen ist, so dass der Abstand an den Polkanten (17) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16) kleiner ist als von der Polmitte (18) zur Mitte (8) des Grundkörpers (16).
Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Luftspalt (13) zwischen Bandage (5) und Statorbohrung (14) in Umfangsrichtung betrachtet im Wesentlichen gleich ist.