DE3224904C2

DE3224904C2 - Gepanzerter Rotor für permanentmagnetisch erregte Drehfeldmaschinen

Info

Publication number: DE3224904C2
Application number: DE3224904A
Authority: DE
Inventors: Wunnibald Kunz; August Dr.-Ing. 7777 Salem Kästner; Klaus Dr.-Ing. 7990 Friedrichshafen Metzger; Lorenz 7759 Immenstaad Schwarz; Ernst 7778 Markdorf Trumpfheller
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1982-07-03
Filing date: 1982-07-03
Publication date: 1986-11-06
Also published as: DE3224904A1

Abstract

Rotor für permanentfelderregte Drehfeldmaschinen hoher Leistungsdichte und hoher Drehzahl, der von einem dünnen Mantel (10) aus hochfestem, weichmagnetischem Material gepanzert ist, welcher durch zusätzliches Magnetmaterial (4) in den eigentlichen Pollücken (Umfang über 8) bis in die Sättigung aufmagnetisiert ist, wodurch ein magnetischer Kurzschluß des Hauptfeldes vermieden wird. Eine zweite Lösung für die gleiche Aufgabe ist die Panzerung des Rotors mit einem dünnen Mantel aus faserverstärktem Kunststoff anstelle des oben genannten Metallpanzers.

Description

Die Erfindung betrifft einen gepanzerten Rotor für permanentmagnetisch erregte Drehfeldmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei hohen Drehzahlen dynamoelektrischer Maschinen treten am Rotor hohe Fliehkräfte auf, die zur Zerstörung des Bauteiles führen, wenn sie die zulässigen Zugspannungen des Materials überschreiten.

Bekannte Lösungen zum Kleinhalten der Fliehkräfte oder zur Erhöhung der Festigkeit sind:

a) Die Reduzierung des Durchmessers.

b) Die Erhöhung der Festigkeit durch Verzicht auf Magnete im Rotor, z. B. die Verwendung eines einfachen oder profilierten Blechringes als Läufer, wie er in Hysteresemotoren bzw. Unipolarmaschincn üblich ist.

Durch beide Verfahren wird aber das Drehmoment und damit die Leistungsfähigkeit des Motors stark herabgesetzt. Sie werden deshalb im wesentlichen nur für Motoren kleiner Leistung angewendet. Für höhere Leistungen bzw. Leistungsdichten sind Rotoren mit Permanentmagneten vorteilhafter. Hochremanente Permanentmagnete sind wegen ihrer inneren Gefügestruktur sehr spröde und empfindlich gegenüber Stoßbelastungen und Zugspannungen. Sie können nicht als tragendes Material verwendet werden, da sie die auftretenden Zugspannungen nicht aufnehmen können. Sie müssen deshalb gepanzert werden. Bekannt ist die Tanzerung von Rotoren mit hochfesten und unmagnetischen Metallen, die die Magnete, Polstücke und unmagnetische und weichmagnetische Füllstücke des Rotors ringförmig umfassen und unter Vorspannung zusammenhalten. Panzer aus hochfesien Materialien, z. B. aus hochfesten Stählen, wie Maraging-Stählen werden bisher nicht verwendet, da diese Materialien weichmagnetisch sind, d. h. den magnetischen Fluß sehr gut leiten. Der Hauptfluß des magnetischen Feldes würde bei einer solchen Anordnung von einem Pol des Rotors durch den Panzer zum nächsten Pol des Rotors fließen und so den Rotor magnetisch kurzschließen. Nur ein geringer Teil des Feldes würde bestimmungsgemäß über den Luftspalt in den Stator gelangen. Bekannt sind Rotoren mit einer Panzerung aus einem magnetisch schlecht leitenden Material, z. B. Titan, bei dem das obengenannte Problem des magnetischen Kurzschlusses nicht auftritt. Das ungünstige Fließveihalten von Titan bei hohen Zugbelastungen vermindert jedoch die zulässige Spannung im Rotor. Zudem ist eine relativ große Wandstärke des Titanpanzers erforderlich.

Aus der US-PS 32 58 623 ist ein Rotor für einen elektrischen Generator bekannt, bei dem Polstücke und Magnetstücke mit einem magnetischen Metallband gepanzert sind. Da dieser Rotor um einen innen stehenden Stator umläuft, befindet sich die Panzerung an einer Stelle, an der kein magnetischer Fluß übertragen werden muß. Die Materialauswahl für diesen außerhalb des Magnetflusses liegenden Panzer ist daher unkritisch. Der Literaturstelle sind keine Letten für Panzerungen zu entnehmen, die im Magnetfluß zwischen Rotor und Stator liegen.

Aus der GB-PS 7 49 480 ist ein Rotor bekannt, bei dem permanentmagnetisches Material mit einem weichmagnetischen Stahl gepanzert ist. Das permanentmagnetische Material besteht aus einem homogenen, sich über den ganzen Durchmesser erstreckenden Teil. Der Rotor ist für Drehzahlen um 24 000 U/min vorgesehen. Probleme bei der Fügung aus mehreren Teilen oder bei der Beherrschung der Fliehkräfte bei wesentlich höheren Drehzahlen treten hier nicht auf.

Aus der DE-GM 80 18 686 ist ein dauermagneterreg-♦er Läufer für elektrische Maschinen bekannt, der mehrere Dauermagnete enthält, die mit einer Bandage gesichert sind. Die Bandage besteht aus zwei verschiedenen Materialien: Im Bereich der Dauermagnete aus magnctischem und über den Zwischenräumen aus amagnetischem Material.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für permanentmagnetisch erregte Drehfeldmaschinen hoher Leistungsdichte, hoher Drehzahl (je nach Durchmesser bis zu 100 000 U/min) und kleiner Streuinduktivität zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Bei den erfindungsgemäßen Lösungen wird der Panzer durch geeignete Vorrichtungen oder Herstellungsverfahren vorgespannt.

Die Sättigung des Panzermaterials in der Pollücke erfolgt ζ. Β. durch eine breitere, stärkere Ausführung der Permanentmagnete. Vorteilhaft an der Erfindung ist die so erstmalig erreichte Verbindung von hoher Leistung und extrem hoher Drehzahl, wodurch sich dieser Motor oder Generator zum Anschluß an Abgasturbolader, Schwungradspeicher, Zentrifugen, Spinnturbinen oder hochtourige Schleifspindeln eignet

Weiter Vorteile ergeben sich bei der Kombination:

Permanenterregung, magnetischer Panzer dadurch, daß der magnetisch wirksame Luftspalt verkleinert ist und dadurch entweder eine höhere Luftspaltinduktion oder eine Reduktion der Magnefmasse möglich ist

Bei der Kombination: Permanenterregursg, Faserpanzer ergeben sich andere Vorteile. Hier ist zwar der magnetische Luftspalt größer, es ergeben sich aber besonders kleine Streuinduktivitäten, wodurch der Motor für höchste Drehzahlen besonders geeignet ist

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend näher erläutert sind. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Rotor mit Metallpanzer,

F i g. 2 ein dazugehöriges Herstellungsverfahren,

F i g. 3 zwei mögliche Achsbefestigungen,

Fig.4 einen erfindungsgemäßen Rotor mit CFK-Panzer,

F i g. 5 ein dazugehöriges Herstellungsverfahren,

F i g. 6—8 drei weitere Ausführungsformen.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine (hier zweipolige) Ausführung des erfindungsgemäßen Rotors.

Der Rotor 1 besteht aus einem den magnetischen Fluß leitenden Mittelstück 2 mit Achsenloch, zwei Permanentmagneten 4, Füllstücken 8 aus nichtmagnetischem Material und dem Panzer 10 aus hochfestem, weichmagnetischem Material. Der Panzer 10 steht unter hoher Vorspannung und preßt den Kern, der aus den Teilen 2,4,8 besteht, fest aneinander. Die Kernteile sind mittels Füg .zwischenlagen aus Klebstoffen (2—4,2—8, 4—8) oder aus duktilen Metallfolien verbunden bzw. getrennt.

Ein nennenswerter Verlust durch einen magnetischen Kurzschluß von Pol 4 zu Pol 4 durch das magnetisch gut leitende Bauteil 10 wird durch die folgenden zwei Merkmale verm/eden:

a) Durch Erhöhung des magnetischen Widerstandes in der Pollücke (Umfang über den Füllstücken 8) mittels Auf magnetisierung des Panzers 10 bis zur Sättigung und

b) durch den klein gewählten Panzerquerschnitt, der trotz seines kleinen spezifischen magnetischen Widerstandes nur einen kleinen magnetischen Fluß im Panzer zwischen den Polen (4-4) erlaubt.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch noch nicht zusammengebaute Elemente eines erfindungsgemäßen Rotors. Dabei sind der Panzer 10 und die äußeren Kernteile 4, 8 leicht konisch geformt. Der Neigungswinkel beträgt ca. Γ (in der Zeichnung sind dieser Winkel und die Panzerdicke übertrieben dargestellt). Die Herstellungsverfahren sind für kurze (z. B. Länge / < 3 · Dicke d) und lange (z. B. / > 3d) Rotoren leicht unterschiedlich. Bei den kurzen Rotoren wird der Panzer lediglich aufgepreßt und die zu erzielende Vorspannung über die Durchmesseraufweitung kontrolliert.

Bei langen Rotoren kann die zur Überwindung der Reibung erforderliche Preßkraft so stark steigen, daß sie nur mit Schwierigkeiten auf den Mantel übertragen werden kann. Zusätzlich kann die elastische Verformung des Mantels in axialer Richtung zu unzulässigen unterschiedlichen Vorspannungen über die Länge führen. In diesem Fall wird der Mantel zusätzlich erwärmt und die daraus folgende radiale Dehnung des Mantels für den Fügevorgang ausgenützt

F i g. 3 zeigt zwei fertiggefügte Rotorhälften 5, 7 mit verschiedenen, untereinander kombinierbaren Merkmalen zur Befestigung der Endplatte und der Achse. Beim Rotor 5 auf der linken Seite ist eine eingesteckte Rotorwelle 12 als Zentralstück gezeigt, die über eine Metallscheibe 14 kraftschlüssig mit dem Panzer 10 verbunden ist Dies geschieht durch Umbördeln des Randes des Panzers 10 über die Scheibe 14. Zur Vermeidung magnetischer Rückschlüsse in axialer Richtung ist diese Scheibe unmagnetisch ausgeführt

Mit Rotor 7 auf der rechten Seite ist eine andere Ausführung gezeigt Die Rotorwelle 18 ist direkt mit einer Endscheibe 20 verbunden une reicht nicht durch den Rotorkörper. Die Endscheibe 20 ist hier an den Mantel 10 angeschweißt. Der Luftspalt 22 verhindert während des Anschweißens eine zu hohe Erwärmung des Magnetwerkstoffes 4. Ein magnetischer Kurzschluß wird entweder durch die Wahl eines magnetisch nicht leitenden Materials für die Scheibe 20 (z. B. austenitischer Stahl) oder durch entsprechende Verringerung der Wandstärke, insbesondere des freien Endes der Panzerung, vermieden.

Fig.4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen vierpoligen Rotor 9 mit einem Panzer aus faserverstärktem Kunststoff. Der Rotor besteht aus einem Mittelstück 2 mit Achsenloch, vier Permanentmagneten 4 und dem Panzer 10 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). In dieser Ausführung sind in den Ekken zwischen den Magneten 4 vierkantige Aussparungen vorgesehen, in denen je zwei Keile 24,26 ließen. Mit diesen Keilen wird die tangentiale Vorspannung des Panzers 10 hergestellt.

'r\ F i g. 5 ist ein Verfahren zum Aufbringen der Vorspannung in dem mittels faserverstärktem Kunststoff gepanzerten Rotor 9 gezeigt. Fig.5 zeigt einen nicht maßstäblichen Schnitt entlang der Linie A-A der F i g. 4 während der Herstellung mil dem Kernstück 2, den Keilen 24 und 26 und dem CFK-Mantel 10. Kernstück 2, Magnete 4, äußere Keile 26 und Panzer 10 liegen auf einer ebenen Unterfläche 28. Eine zweite ebene Platte 30 liegt auf den inneren Keilen 24. Durch Druck in Pfeilrichtung werden die Keile 24 über die Keile 26 geschoben und der Ring l0 in der gewünschten Weise vorgespannt. Eine Gleitreibung an der Innenseite des CFK-Panzers wird so vermieden. Diese könnte zu einer Verletzung des Panzers 10, der aus im wesentlichen umlaufenden Fasern besieht, führen.

F i g. 6 zeigt einen Rotor 13 im Längs- und im Querschnitt, bei dem die Vorspannung des Mantels 10 durch die Keilflächen des Kernstückes 31 und der Zwischenstücke 32 erreiche wird. Die Zwischenstücke 32 bilden hierbei ein kastenförmiges Gebilde mit einer Eckenzahl, die gleich der Polzahl des Rotors ist. Dieses k^tenförmige Gebilde ist magnetisch leitend und jeweils in der Mitte der Magnetpole 4 geteilt. Damit lassen sich insbesondere kleine Rotoren preisgünstiger als nach F i g. 4 herstellen.

F i g. 7 zeigt eine weitere Version 15 mit keilförmigem Kernstück 33 im Längs- und im Querschnitt. Diese Version ist vor allem für Rotoren gedacht, bei denen die biegekritische Drehzahl durch andere konstruktive

Maßnahmen weit genug von der Betriebsdrehzahl gehalten werden kann, da der Kernstückdurchmesser, bezogen auf den Rotordurchmesser, kleiner als bei F i g. 6 ausfällt. Die Steigung des Keiles ist übertrieben gezeichnet.

In dieser Version werden die Magnete 4 über die keilförmig ausgeführten Stücke 34 durch das ebenfalls keilfärmig ausgeführte Mittelstück 33, das gleichzeitig die Rotorwelle darstellt, auseinandergepreßt. Vor allem das Stück 34 läßt sich verhältnismäßig preisgünstig herstellen.

F i g. 8 zeigt eine besondere kostengünstige Ausbildung, die vor allem für Rotoren mit verhältnismäßig geringer Drehzahlbelastung aber hoher Leistung angewendet werden kann. Hier ist das magnetisch leitende Kernstück 35 mit Längsnuten versehen, die der Fixierung der Magnete dienen. Die seitliche Begrenzung der

■ -«KIWI UIIUVII IiIt. *JU.£l. .rt/. Ill UIVJV. IVUtVII TTVIUVII UIV Magnete 4 eingeklebt, wobei in der Klebenaht 37 zwischen den Magneten 4 und den Stegen 36 die Fliehkräf- te der Magnete in der für eine Klebenaht günstigsten Beanspruchungsform der Schubbeanspruchung aufgenommen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

30

35

40

45

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Gepanzerter Rotor für permanentmagnetisch erregte Drehfeldmaschinen hoher Drehzahlen, mit einem dünnen Panzer aus hochfestem Material wie weichmagnetischem Stahl oder faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Panzer (10) durch verschiebbare keilförmige oder konische Füllstücke (24,26,32,34) vorgespannt ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Panzer (10) und der Kern (2,4,8) leicht konisch ausgebildet sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Panzer (10) durch Umbördeln über eine Metallscheibe (14) kraftschlüssig mit einer Welle (12) verbunden ist

4. Rot« nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, <räß der Panzer (10) durch Verschweißen eines Abschlußstückes (20) kraftschlüssig mit einer Welle (18) verbunden ist.

5. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren keilförmigen Füllstücke (24,26) in den Pollücken angeordnet sind.

6. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konisches Zentralstück (31) mit prismatischem Querschnitt und mit einer Eckenzahl, die der Polzahl entspricht, und ebenso viele keilförmig gestaltete Winkelstücke (32) an den Ecken des Zentralstücks (31) vorhanden sind.

7. Rotoi nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konisches Zentralstück (33) mit prismatischem Querschnitt, dessen E^kenzahl der Polzahl entspricht, und ebenso viele dreieckige Keile (34), deren Kanten mehr oder weniger stark gebrochen sind, an den ebenen Flächen des Zentralstücks (33) vorhanden sind.

8. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konisches Zentralstück (31) mit prismatischem Querschnitt und an dessen ebenen Flächen ebenso viele konische Magnetstücke (4) vorhanden sind.