DE19915664A1

DE19915664A1 - Elektrische Maschine mit einem Stator

Info

Publication number: DE19915664A1
Application number: DE1999115664
Authority: DE
Inventors: Torsten Stuelpnagel; Detlef Potoradi; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-19
Also published as: WO2000062399A3; WO2000062399A2

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Stator und zumindest einem aus Blechen (1) geschichteten Blechpaket (3) eines Rotors, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - zumindest zwei unterschiedliche Blechschnitte der Bleche des Blechpakets (3), DOLLAR A - zumindest die Bleche (1, 15) eines Blechschnitts sind mit Mitteln (11, 12) versehen, die insbesondere bei axialer Zusammensetzung der einzelnen Bleche (1) eine radiale Fixierung dieser Bleche (1, 15) innerhalb des Blechpakets (3) bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und zumindest einem aus Blechen geschichteten Rotor blechpaket.

In bisherigen elektrischen Maschinen, insbesondere permanent erregten Synchronmaschinen mit Flußkonzentration werden Ma gnete radial angeordnet, wobei sich zwischen den Magneten Polbleche zur Flußleitung befinden. Die Polbleche sind mit Hilfe von Bolzen miteinander zu einem Rotorblechpaket und mit der Welle über Endplatten verbunden. Außerdem wurde aus elek tromagnetischen Gründen eine unmagnetische Welle verwendet, bzw. ein Luftspalt zwischen Welle und Läuferblechpaket vorge sehen, um einen Magnetfluß durch die Welle zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf kostengün stigste Art und Weise ein kompaktes Rotorblechpaket einer elektrischen Maschine zu schaffen, in das außerdem Permanent magnete in Flußkonzentrationsanordnung eingebettet sind.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektri sche Maschine mit einem Stator und zumindest einem aus Ble chen geschichteten Rotorblechpaket, das folgende Merkmale aufweist:

- Zumindest zwei unterschiedliche Blechschnitte der Bleche des Rotorblechpakets,
- zumindest die Bleche eines Blechschnitts sind mit Mitteln versehen, die insbesondere bei axialer Zusammensetzung der einzelnen Bleche eine radiale Fixierung dieser Bleche in nerhalb des Rotorblechpaketes bewirken.

Ein derartiges Rotorblechpaket einer elektrischen Maschine ist durch folgendes Verfahren herstellbar:

- Stanzpaketieren von Blechen unterschiedlicher Blechschnitte in einer vorgebbaren Reihenfolge, wobei dadurch zumindest eine vorgebbare Anzahl der Bleche mit Mitteln versehen wer den, die eine radiale Fixierung der einzelnen Bleche und im Betrieb der elektrischen Maschine eine elektrodynamische Wechselwirkung mit dem Stator bewirken,
- Schrumpfung des Rotorblechpakets auf eine Rotorwelle.

Durch die Verwendung von Blechen unterschiedlicher Blech schnitte im Rotorblechpaket sind die erforderlichen elektro magnetischen Eigenschaften, vorzugsweise der Verlauf der Feldlinien besser als bei Verwendung eines einzelnen Blech schnittes herkömmlicher Synchronmaschinen mit Flußkonzentra tion einstellbar. Dadurch kann insbesondere der Verlauf der Feldlinien durch die Welle vermieden werden. Es sind somit Wellen aus magnetischem Material einsetzbar. Die Ausbildung der zum Luftspalt weisenden Kontur des Blechpakets ist vor zugsweise so ausgeführt, daß sich ein sinusförmiges Luft spaltfeld einstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die radiale Fixie rung der Bleche innerhalb des Rotorblechpakets dadurch er reicht, daß eine vorgebbare Anzahl von Blechen mindestens ei ne Eindrückung und einen dazu korrespondierenden Vorsprung auf der Rückseite des jeweiligen Bleches aufweist. Diese Ein drückungen und Vorsprünge fügen sich beim Paketieren ineinan der, so daß eine radiale Fixierung erreicht wird. Eine Be schränkung der Eindrückungen und Vorsprünge je Blech ist nicht vorgesehen; vorzugsweise sind jedoch pro Blech maximal zwei Eindrückungen oder Vorsprünge vorhanden. Auch die Form der Eindrückungen und Vorsprünge ist keinen Grenzen unterwor fen, so daß diese kreisförmig als auch oval ausgebildet sein können. Eine radiale Fixierung der Bleche ist auch durch ha kenähnliche Ausbildung gewisser Teilabschnitte der Bleche zu erreichen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Ro torblechpaket in wesentlich axialer Richtung des Rotors Aus nehmungen für Permanentmagnete auf. Die Ausbildung der Aus nehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete ist derart ge staltet, daß sich eine Magnetlänge ergibt, die größer als die halbe Polbreite (Polteilungslänge) ist.

D. h., die Länge l einer Ausnehmung ist größer als

wobei d der Durchmesser des Blechpakets und p die Polpaarzahl ist.

Die Streustege sind mechanisch notwendig, aber magnetisch nachteilig. Die Flußsperren beeinflussen die magnetische Wechselwirkung mit dem Stator. Sie verhindern eine vorzeitige Sättigung des Stators durch das Statorfeld. Alle Bleche haben auf der zum Luftspalt weisenden Seite eine Form, die ein si nusförmiges Luftspaltfeld ermöglicht und insbesondere nach folgender Formel gestaltet sind:

Vorzugsweise ist dabei die dem Luftspalt zugewandte Kontur des Läuferblech nach folgender Beziehung gewählt:

wobei
ϕ der Umfangswinkel
r_a(ϕ) der Außenradius Läuferblech
R_B der Ständerbohrungsradius
δ₀ der engste Luftspalt in Polmitte und
p die Polpaarzahl
ist.

Diese Formel gilt ausgehend von einer Polmitte. Ab einem vor gebbaren Winkel p.ϕ wird der Radius r_a bis zur Pollücke (p.ϕ = ± 90°) konstant gehalten, der vorzugsweise zumindest in erster Näherung durch eine Tangente an der Pollücke ange nähert werden kann. Dies verhindert, daß der Einbruch in die Pollücke zu groß wird. Das in der Pollücke verbleibende Blechmaterial, das durch die Kontur des Läuferblechs und Aus nehmungen definiert ist, wird möglichst dünn ausgeführt, um so die Magnetfeldstreuung im Läufer zu minimieren. Diese Ver bindungsstelle weist eine Mindestdicke auf, um den bei Maxi maldrehzahl entstehenden Fliehkräften der Magnete und Blech segmente und den daraus resultierenden Tangentialspannungen im Läuferblechpaket entgegenzuwirken und sie aufnehmen zu können.

Damit wird auch in der q-Achse ein größerer Luftspalt er zeugt, der die Querinduktivität verringert. Dadurch wird eine weitere Optimierung des Drehmomentenverlaufs und eine Wir kungsgraderhöhung der elektrischen Maschine erreicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Per manentmagnete durch Einbringen einer aushärtbaren Masse oder durch Verstemmen eines oder mehrerer Bleche fixiert. Durch diese Fixierung werden die Teile des Rotors gegenüber Flieh kräften die bei hoher Drehzahl der elektrischen Maschine auf treten, unverrückbar gehalten.

Die Erfindung, sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmal der Unteransprüche werden im folgen den anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt eines einstückigen Bleches,

Fig. 2 den Querschnitt eines aus mehreren Blechlamellen beste henden Bleches,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Rotorblechpa kets.

Fig. 1 zeigt einen zur Achse einer elektrischen Maschine, ins besondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit Flußkonzentration punktsymmetrischen Blechschnitt eines Ro torblechs 1, mit im wesentlichen V-förmig angeordneten Aus nehmungen 2, zur Aufnahme von nicht näher dargestellten Per manentmagneten. Die Länge der jeweiligen Ausnehmungen 2 und damit die Länge der einsetzbaren Permanentmagnete ist größer als die halbe Polbreite. Die Ausnehmungen 2 im Blechpaket 3 des Rotors sind im wesentlichen sternförmig angeordnet. Zwi schen den einzelnen Ausnehmungen 2 befinden sich in Achsnähe und an der Außenkontur 4 des Blechs 1 Streustege 5. In den nach außen weisenden kreissegmentähnlichen Blechabschnitten 7 befinden sich vorzugsweise als Materialausnehmungen gebildete Magnetflußsperren 6, die die Querinduktivität reduzieren. Ei ne weitere Reduzierung der Querinduktivität tritt durch die Gestaltung der Außenkontur 4 des Blechpakets 3 auf, die ein sinusförmiges Luftspaltfeld erzeugt. Die Magnetflußsperren 6 können als Schlitze, gebogene Linien oder anderen geometri schen Materialausnehmungen ausgebildet sein. Weitere Mate rialausnehmungen 13 sind als Montagehilfe und im Betrieb au ßerdem zur Lüftung des Blechpakets 3 des Rotors geeignet. Au ßerdem wird durch die Materialausnehmungen 13, 6 das Träg heitsmoment des Rotors reduziert.

Im Bereich der an der Außenkontur 4 befindlichen Streustege 5 ist die Außenkontur 4 des Blechpakets 3 so geformt, daß sich ein nahezu sinusförmiges Erregerfeld im Luftspalt erzeugen läßt. Im Blech 1 zentrisch angeordnet, ist eine Ausnehmung 9 zur Wellendurchführung. Der Blechschnitt kann dabei der Fi xierung Welle-Blechpaket 3 angepaßt werden (Warmschrumpfung, Pressung, etc.).

Fig. 2 zeigt zwei weitere Blechschnitte, die mit anderen gleichartigen Blechen oder mit einem Blech nach Fig. 1 axial zusammengesetzt das Blechpakets 3 bilden. Dieser Blechschnitt nach Fig. 2 hat einen inneren Stern 10, der ebenfalls zen trisch angeordnet die Aussparung zur Wellendurchführung 9 zur Fixierung Welle-Blechpakt 3 aufweist. In den nach außen wei senden Kreissegmenten 7 befinden sich ebenso die Magnetfluß sperren 6, in Form von Schlitzen, oder auch axialen Material ausnehmungen 13, die zur Reduzierung der Querinduktivität und als Montagehilfe gedacht sind. In Zusammenwirken dieses Blechschnitts mit dem in Fig. 1 skizzierten Blechschnitt, wer den Blechpakete 3 des Rotors paketiert, die durch Eindrückun gen 11 und Vorsprünge 12 ineinander greifen und so eine ra diale Fixierung des gesamten Blechpakets 3 bewirken.

Dabei sind vorzugsweise an den jeweiligen Stirnseiten des Blechpakets 3 des Rotors die einstückigen Bleche 1 nach Fig. 1 vorgesehen. Durch die vorgebbare axiale Zusammensetzung des Blechpakets 3 des Rotors wird eine axiale Folge von einstüc kigen und mehrstückigen Blechen erreicht, die eine Minimie rung der Streustege 5 bezüglich der axialen Länge des Blech pakets 3 bewirken. Es wird also je nach Zusammensetzung des Blechpakets 3 eine Reduzierung der Streustege 5 im Bereich der Außenkontur 4 und der nach innen weisenden Streustege 5 in Richtung Achse, um einen vorgebbaren Faktor x erreicht.

Die axiale Zusammensetzung kann auch innerhalb eines Blechpa kets variieren um insbesondere mechanische Vorgaben z. B. der Steifigkeit einzuhalten.

Claims

1. Elektrische Maschine mit einem Stator und zumindest einem aus Blechen (1) geschichteten Blechpaket (3) eines Rotors, das folgende Merkmale aufweist:

- zumindest zwei unterschiedliche Blechschnitte der Bleche des Blechpakets (3),
- zumindest die Bleche (1, 15) eines Blechschnitts sind mit Mitteln (11, 12) versehen, die insbesondere bei axialer Zu sammensetzung der einzelnen Bleche (1) eine radiale Fixie rung dieser Bleche (1, 15) innerhalb des Blechpaketes (3) bewirken.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgebbare Anzahl von Blechen (1, 15) mindestens eine Eindrückung (11) und einen dazu korrespondierenden Vorsprung (12) auf der Rückseite des jeweiligen Bleches (1, 15) aufweist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Blechpa ket (3) des Rotors bezüglich seiner axialen Zusammensetzung einstückige und mehrstückige Bleche (1, 15) in einer vorgebba ren Reihenfolge aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (3) des Rotors Ausnehmungen (2) für Permanentmagnete aufweist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die einstücki gen Bleche (1) Streustege (5) im Bereich elektromagnetisch korrespondierender Ausnehmungen (2) aufweisen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der radial weiter außen liegender Streustege (5) am Umfang zumindest der einstückigen Bleche (1) Mittel (8) vorgesehen sind, die ein sinusförmiges Erregerfeld erzeugen.

7. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Permanentmagnete durch Einbringen einer aushärtbaren Masse und/oder durch Verstemmen mindestens eines Bleches fixierbar sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets (3) des Rotors einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch folgende Schritte:

- Stanzpaketieren von Blechen (1, 15) unterschiedlicher Blech schnitte in einer vorgebbaren Reihenfolge, wobei dadurch zumindest eine vorgebbare Anzahl der Bleche (1, 15) mit Mit teln (11, 12) versehen werden, die eine radiale Fixierung der einzelnen Bleche (1, 15) und im Betrieb der elektrischen Maschine eine elektrodynamische Wechselwirkung mit dem Sta tor bewirken,
- Einsetzen der Permanentmagnete
- Fixierung des Blechpakets (3) auf einer Rotorwelle.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß als Mittel zur radialen Fi xierung der Bleche (1, 15) Eindrücke (11) und korrespondieren de Vorsprünge (12) gestanzt werden.