DE69834594T2

DE69834594T2 - Läufer für einen Motor oder Generator

Info

Publication number: DE69834594T2
Application number: DE69834594T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Basking Ridge Lubas
Original assignee: Electric Boat Corp
Current assignee: Electric Boat Corp
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: JP3464604B2; DE69834594D1; EP0866540B1; JPH10327548A; US5952755A; EP0866540A3; EP0866540A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Permanentmagnetläufer für einen Motor oder Generator, auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Motors oder Generators und auf einen Motor mit einem solchen Läufer.
Üblicherweise haben die herkömmlich verwendeten Motorläufer für Motoren ab einem PS eine Käfigläuferstruktur und werden in mit Wechselstrom (AC) betriebenen Asynchronmotoren verwendet. Mit Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) betriebene Generatoren weisen üblicherweise gewickelte Läufer auf. Gleichstrommotore weisen üblicherweise einen Kommutator und Läuferwicklungen auf. Alle diese Motoren oder Generatoren haben Läufer, die sich signifikant von einem Läufer mit Permanentmagneten unterscheiden. Zudem entwickeln diese Läufer ein magnetisches Feld des Läufers durch einen elektrischen Stromfluss durch den Läufer. Als Ergebnis sind alle diese Läufer sehr groß, nur geringfügig effizient, schwieriger zu kühlen und von komplexer Konstruktion.
Bis jetzt wurden bei Läufern mit Permanentmagneten gekrümmte Magnete verwendet, die mit einem Kleber am Umfang des Rotors fixiert wurden. Andere Läufer für Permanentmotoren, die typischerweise in der Größe wesentlich kleiner sind, verwendeten Magnete, die in dem stählernen Kern des Läufers eingebettet sind. In diesem Falle werden Stapel aus dünnen Läuferblechen, die Polstücke bilden, allgemein mit dem Läufer mit Hilfe von Schraubbefestigungen oder Schwalbenschwanzverbindungen verbunden. Die Verwendung von Schwalbenschwanzverbindungen oder Befestigungselementen erhöht üblicherweise die Kosten für den Läufer und erfordert zusätzliche Teile an der Läuferanordnung.
Leider ist eine präzise Platzierung von Läuferpolstücken in Permanentmagnetmotoren und Generatorläufern schwierig zu erreichen und als Ergebnis sind solche Läufer üblicherweise im Betrieb laut. Eine solche Präzision ist notwendig, wenn der Läufer für Anwendungen verwendet wird, wo Drehmomentfluktuationen und zyklische radiale Belastungen auf einem Minimum gehalten werden müssen. Zudem kann die Schwierigkeit, eine präzise radiale Position und Winkelorientierung der Rotorteile vorzusehen, insgesamt den Betrieb des Läufers oder Generators verschlechtern, nicht akzeptable Vibrationspegel verursachen und die Effizienz reduzieren.
Zusätzlich kann während des Betriebes die Rotoranordnung aufgrund von normalen Motor- oder Generatorvibrationen gelockert werden. Eine Lockerung von Teilen kann die Wirkung verschlechtern oder sogar eine mechanische Beschädigung der Motor- oder Generatorteile verursachen. Vibrationen können auch Klebelinien lockern oder einen Bruch dieser Linien verursachen, was zu einer Ablösung der auf dem Motorläufer installierten Permanentmagnete führen kann. Magnete, die von dem Läufer abgelöst und abgetrennt werden, können zu einem schlechteren Wirkungsgrad oder zu einer mechanischen Beschädigung führen.
Die Verwendung von Klebern oder Schraubbefestigern, um die Magnete auf dem Läuferkern zu halten, macht die Magnete empfindlich für eine Trennung aufgrund von exzessiven Zentrifugalbelastungen oder hohen Stoßschockbelastungen, die auf den Motorläufer aufgebracht werden. Darüber hinaus beeinflussen die Aufheizung des Motors oder Generators und Umgebungsbedingungen die Unversehrtheit des Klebers negativ, der zum Befestigen der Magnete mit dem Rotor verwendet wurde, was potentiell gegebenenfalls zu einer Magnetablösung und einem Läuferausfall führt.
Um auf der Oberfläche oder mit einem Kleber montierte Permanentmagnete am Platz zu halten, wird ein dünner Rückhaltezylinder, üblicherweise aus einer Metall- oder einer gewickelten Faserkonstruktion verwendet. Die Verwendung eines solchen dünnen Rückhaltezylinders oder einer Rückhaltedose hat schädliche Wirkungen für den Wirkungsgrad der Maschine und deren Effizienz. Zudem ist durch die erforderliche Zylinderdicke für einen großen Motor oder Hochgeschwindigkeitsmotor oder Generator die Verwendung einer solchen Rückhaltedose für diese Anwendungen nicht anwendbar.
Permanentmagnete, die in herkömmlichen Läufern installiert sind, seien sie darin eingebettet oder mit einem Kleber fixiert, sind empfindlich für Beschädigungen und/oder eine Entmagnetisierung durch Überhitzung. Leider sind die Magnete direkt Wärmeeffekten ausgesetzt, die in Zusammenhang stehen mit Oberflächenverlusten an den Luftspalten, Aufheizen durch Wirbelströme und Wärme aufgrund von mechanischen Vibrationen, die durch Luftspaltharmonische induziert werden. Ein Aufheizen dieser Magnete bis nahe an deren Curie-Temperatur kann eine Entmagnetisierung und einen Verlust des Wirkungsgrades nach sich ziehen. Zudem können Kurzschlüsse in einfachen Schichtwicklungen oder Phase-gegen-Phase-Wicklungen des Stators eine dramatische Aufheizung der in herkömmlichen Läufern installierten Magnete erzeugen und daher zu einer Entmagnetisierung führen.
Ferner bieten herkömmliche Läufer mit Permanentmagneten nur einen geringen oder keinen Schutz vor einer Beschädigung der Magnete oder einer Entmagnetisierung unter rauen Betriebsbedingungen oder bei allgemeinen Ausfällen des Motors und Generators. Die Magnete sind empfindlich für physikalische Beschädigungen, da sie üblicherweise vollständig oder zumindest einseitig der Fläche des Luftspaltes des Läufers zugewandt sind. Dementsprechend können ausgeübte Schockbelastungen, hohe Vibrationsniveaus oder ein mechanischer Ausfall einiger eng ausgerichteter Teile des Motors oder Generators zu physikalischen Belastungen der Magnete führen, wobei die Magnete beschädigt werden.
Typischerweise können bei Permanentmagnetläufern, die eingebettete Magnete verwenden, die Polstücke direkt auf den Magneten angeordnet werden. Da das Magnetmaterial brüchig ist, schließt die Verwendung dieser Magnete als zuverlässige, Stress ausgesetzte Strukturelemente bei vielen Anwendung aus, insbesondere wenn große Läufer notwendig sind. Darüber hinaus werden bei Läufern mit Permanentmagneten generell nur einzelne Magnete verwendet, um die Läuferpole einzurichten. Wenn die Größe eines Permanentmagnetläufers ansteigt, sind Konfigurationen mit Einzelmagneten empfindlicher auf physikalische Beschädigungen aufgrund von Biege-, Torsions- und Scherbelastungen, da, wie vorher diskutiert, diese Magnete sehr brüchig sind und nicht die physikalische Festigkeit haben, wie sie andere metallische Läuferkomponenten aufweisen.
Die US-A-4 260 921 beschreibt einen Läufer mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
Zudem können einzelne Magnete, die zur Erzeugung von Polen bei herkömmlichen Permanentmagnetläufern verwendet werden, schwierig und risikoreich zu handhaben sein, wenn die Größe des Läufers anwächst. Typischerweise werden für Permanentmagnetläufer kräftige Magnete aus seltenen Erden verwendet, die starke Magnetfelder haben. Die Handhabung von solchen physikalisch großen Magneten, die alle ein starkes Magnetfeld haben, erfordert die Entwicklung von speziellen Werkzeugen und Verfahren, um die Magnete zu handhaben. Das Arbeiten mit großen Magneten in der Nachbarschaft von umgebendem ferromagnetischen Material kann ebenfalls ein Sicherheitsrisiko für das Personal sein.
Ferner begrenzen die Schwierigkeiten bei der Herstellung und die Magnetisierung einzelner Magnete mit größerer Größe die Größe und die erreichbaren Impulsraten bei herkömmlichem pulsmodulierten Motor- und Generatorkonstruktionen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Permanentmagnetläufer für einen Motor oder einen Generator angegeben, wobei der Läufer eine Läufernabe, darauf mehrere winkelmäßig verteilte Polstücke und mehrere Permanentmagnete aufweist, die zwischen den Polstücken angeordnet sind, wobei die Läufernabe und die Polstücke miteinander zusammenwirkende Mittel aufweisen, die einen ersten Satz von Positionierflächen und einen zweiten Satz von Positionierflächen aufweisen, um die Polstücke radial und winkelmäßig in Bezug zu der Läufernabe zu positionieren, wobei jede Fläche des zweiten Satzes der Positionierflächen eine flache ebene Fläche parallel zu einer Ebene aufweist, die die Längsachse und die Mittellinie eines Polstückes enthält, wobei das Polstück auf der Läufernabe durch eine radiale Bewegung in Bezug zu dieser montiert werden kann, gekennzeichnet durch eine Keilanordnung zum Sichern der Polstücke an der Läufernabe, wobei die Keilanordnung einen konischen Bereich zum Erzeugen einer Verkeilung aufweist, um die korrekte Ausrichtung der zusammen wirkenden Mittel herzustellen, und das der zweite Satz von Positionierflächen einen Bereich zum Anpassen an einen Keil der Keilanordnung aufweist, sodass eine radiale Bewegung der Polstücke relativ zu der Läufernabe unterbunden wird.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführt. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, die Polstücke auf der Läufernabe zu positionieren, indem die miteinander zusammen wirkenden Mittel in Kontakt gebracht und die Polstücke an der Läufernabe gesichert werden, indem die Keilanordnung in den Läufer eingefügt wird.
Ferner wird ein Motor angegeben, der einen oben beschriebenen Läufer aufweist. Gemäß einer Ausführungsform hat der Motor eine Ausgangsleistung von 1492 bis 5.2 × 10⁷ W (2 bis 70000 Wellenpferdestärken).
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel auf die begleitende Zeichnung verwiesen, in der:
1 ein Längsschnitt einer Welle mit einem Läufer gemäß der Erfindung ist;
2 eine teilweise geschnittene Endaufsicht des Ausführungsbeispieles gemäß 1 ist;
3 eine Darstellung eines Polstückes ist, das in der Läufernabe gemäß 1 positioniert ist;
4 eine Darstellung eines alternativen Polstückes ist, das in einer alternativen Läufernabe positioniert ist, in der die Winkelorientierungsfläche des Läufers in einem geringeren radialen Abstand von der Mittellinie des Läufers als die Flächen gelegen ist, die die radiale Position des Polstückes festlegen;
5 eine Darstellung einer weiteren alternativen Anordnung zum Positionieren eines Polstückes in einer weiteren alternativen Läufernabe ist;
6(a) und 6(b) Seiten- beziehungsweise Endaufsichten sind, die einen repräsentativen konischen Keil zum Verriegeln eines Polstückes in einer Läufernabe darstellen; und
7(a) und 7(b) eine Seitenansicht beziehungsweise eine Endaufsicht längs eines repräsentativen Schlitzkeiles zur Aufnahme eines Polstückes in der Läufernabe sind.
Wie bei der repräsentativen Ausführung gezeigt, trägt eine Läufernabe 1 ein winkelmäßig verteiltes Muster aus Polstücken 3 und weist zwei Sätze von Positionierflächen 2 und 4 auf, um die Polstücke 3 akkurat zu positionieren. Die Läufernabe 1 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material, zum Beispiel Aluminium, oder aus einem nicht-metallischen Material, zum Beispiel Keramik, Kunststoff oder einem verstärkten Verbundmaterial hergestellt. Die Läufernabe 1 wird mit einer hohlen Mittelbohrung versehen, obwohl sie auch als ein massives Stück hergestellt werden kann. Die Polstücke 3 weisen einen Stapel aus laminierten Segmenten auf oder können aus einem massiven Block eines ferromagnetischen Materiales bestehen.
Ein Satz der Positionierfläche 2 der Läufernabe steuert die radiale Position der Polstücke 3 in Bezug auf die Läuferachse. Vorzugsweise sind die Flächen 2 zur radialen Positionieren eine Serie aus ebenen Flächen, die tangential zu einem eingeschriebenen und konzentrisch zu der Läuferachse gelegenen Kreis ausgerichtet sind. In einer anderen Ausführung können die Positionierflächen zur radialen Positionierung in Form einer Serie von gekrümmten Flächen ausgebildet sein, die gemeinsam Teile eines Zylinders bilden, der konzentrisch zu der Läuferachse ist.
Ein zweiter Satz von Positionierflächen 4 steuert die winkelmäßige Orientierung der Polstücke 3. Die Positionierflächen 4 sind flache ebene Flächen, die sich pa rallel zu einer radialen Ebene erstrecken, die die Mittelachse des Läufers und die Mittelinie der Polstücke 3 enthält, die durch die Positionierfläche 4 ausgerichtet werden.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, müssen die Positionierflächen 4, mit der die winkelmäßige Orientierung der Polstücke gesteuert wird, nicht in einem größeren radialen Abstand von der Mittellinie des Läufers als die radialen Positionierflächen 2 angeordnet sein. Wie in 5 dargestellt, können die Positionierflächen zur winkelmäßigen Orientierung durch Vorsprünge 4a des Kernmateriales des Läufers gebildet werden, die in entsprechende Schlitze in den Polstücken 3 eingreifen und darin durch Keile 5 gehalten werden. Die Vorsprünge 4 können als einstückiges Teil des Kernes der Rotornabe 1 oder als eine Anordnung von unabhängigen Segmenten hergestellt sein, die mit dem Kern der Läufernabe 1 und auch mit den Polstücken durch Keile 5 verbunden sind.
Die Polstücke 3 werden in der Läufernabe 1 installiert, indem sie radial auf die Läufernabe 1 aufgeschoben werden. Die Polstücke 3 werden dann in ihrer Position in der Läufernabe 1 verriegelt, indem zwei sich überlappende mehrteilige konische Keile 5 der in 6(a) und 6(b) gezeigten Art axial von einer oder beiden Enden der Läuferanordnung eingeführt werden. Wenn sie in ihren Platz eingetrieben werden, erzeugen die Keile 5 eine Keilwirkung, die die korrekte Orientierung der Polstücke 3 in Bezug zu den Positionierflächen 2 und 4 sichert.
Ein einzelner Magnet oder mehrere oder kleinere Magnete 9 können dann axial von einem oder beiden Enden der Läufernabe 1 zwischen die Polstücke 3 eingesetzt werden, nachdem die Polstücke 3 ihren endgültigen Platz in der Läufernabe 1 haben. Entfernbare Führungsschienen (nicht dargestellt) führen die geeignet geformten Magnete in den Kern des Läufers. Axiale Schraublöcher 10 in der Fläche der Läufernabe 1 können dazu verwendet werden, um die entfernbaren Führungsschienen zu befestigen.
Generell haben die Magnete 9 eine rechteckige Form mit flachen Seiten. In einer anderen Ausführung können die Magnete 9 eine konkave Oberfläche aufweisen, die in Kontakt mit einer zylindrischen Fläche der Läufernabe steht. Die Größe der Magnete 9 relativ zu der Größe der Polstücke 3 kann entsprechend den Anforderungen verkleinert oder vergrößert werden, um die gewünschte Magnetfeldstärke zu erzielen, wenn unterschiedliche Magnetmaterialen verwendet werden. Die Magnete 9 sind in ihrer Größe für eine enge Passung mit Spiel mit den benachbarten Flächen 8 der Polstücke ausgebildet, die jeweils parallele ebene Flächen sind. Auf diese Weise sind die Magnete 9 in der Nabenanordnung gefangen gehalten, ohne dass sie großen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Magnete 9 werden daran gehindert, radial nach außen zu wandern, und zwar aufgrund der zentrifugal wirkenden Keile 11, die in den 7(a) und 7b) gezeigt sind, und die platziert werden, indem ein Streifen aus einem magnetisch inerten Material in Nuten eingeführt wird, die in den Polstücken des Läufers auf gegenüber liegenden Seiten der Magnete 9 ausgebildet sind. Die Schlitzkeile 11 sind gefangen gehalten, indem sie mechanisch in die Nuten 12 in den Polstücken 3 des Läufers eingreifen. Alternativ können die Polstücke 3 des Läufers mit geeigneten Vorsprüngen ausgebildet sein, die in den Schlitzkeilen 11 aufgenommen und dadurch gehalten werden.. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Schlitzkeile 11 durch Endplatten 13, die in 1 gezeigt sind, gehalten werden, anstatt dass sie durch die Schlitze oder durch Vorsprünge in den Polstücken gehalten werden. Die Schlitzkeile bilden einen körperlichen Schutz für die Magnete 9 während des Einbaues der Nabenanordnung 1 in die Statoranordnung und schirmen die Magnete von den Luftspaltflächen in dem zusammengesetzten Motor oder Generator ab, sodass die Empfindlichkeit der Magnete hinsichtlich einer Entmagnetisierung reduziert wird.
Die Polstücke 3 des Läufers und die Magnete 9 werden axial durch magnetisch inerte Endplatten 13 abgestützt, die mit der Läufernabe 1 mit Hilfe von Befestigungselementen, so zum Beispiel Schrauben 14, an beiden Enden der Läuferwelle 15 angeordnet sind. Die Anordnung 6 des Läuferkernes wird auf einer Läuferwelle 15 durch konische Metallteile und eine auf der Welle montierte Riegelmutter 17 gesichert.
Verschiedene Modifikationen zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können in Betracht gezogen werden. Speziell kann die Anordnung 6 des Läuferkernes mit der Welle durch einen Schrumpfsitz verbunden werden, anstatt konischen Keilringe 16 zu verwenden. Ein Keil 18, der sich durch die Läuferwelle 15 und die Läufernabe 1 erstreckt, verhindert eine relative Drehung zwischen diesen. Bei einer anderen Ausführung können die Läufernabe 1 und die Läuferwelle 15 als eine einzige einstückige Einheit ausgebildet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die äußeren Oberflächen der Polstücke 3 am Umfang umlaufende Nuten aufweisen, um die Verluste durch Wirbelströme zu reduzieren. Gemäß einer anderen Ausführung müssen die äußeren Oberflächen der Polstücke nicht notwendigerweise Bereiche einer kontinuierlichen zylindrischen Oberfläche sein. Die äußeren Oberflächen der Polstücke können geformt werden, um die Verteilung des Magnetflusses über den Luftspalt zu dem Stator des Motors oder Generators zu steuern. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Polstücke so positioniert werden, dass sie mit einem Winkel schräg zu einer Ebene sind, die die Mittellinie der Welle aufnimmt. Dies dient dazu, Schwankungen des Drehmomentes zu glätten. Eine weitere Technik, um Drehmomentschwankungen zu glätten, ist es, anstelle des Läuferkernes den Statorkern schräg anzustellen.
Die Läufer gemäß der vorliegenden Erfindung sind speziell geeignet für die Verwendung in Motoren, die eine Ausgangsleistung von 2 bis 70000 Wellenpferdestärken (1492 bis 5.3 × 10⁷ W) haben.

Claims

Permanentmagnetläufer für einen Motor oder Generator, wobei der Läufer eine Läufernabe (1), darauf mehrere winkelmäßig verteilte Polstücke und mehrere Permanentmagnete aufweist, die zwischen den Polstücken (3) angeordnet sind, wobei die Läufernabe (1) und die Polstücke (3) miteinander zusammenwirkende Mittel aufweisen, die einen ersten Satz von Positionierflächen (2) und einen zweiten Satz von Positionierflächen (3) aufweisen, um die Polstücke (3) radial und winkelmäßig in Bezug zu der Läufernabe (1) zu positionieren, wobei jede Fläche des zweiten Satzes der Positionierflächen (4) eine flache ebene Fläche parallel zu einer Ebene aufweist, die die Längsachse der Läufernabe (1) und die Mittellinie eines Polstückes enthält, wobei das Polstück auf der Läufernabe (1) durch eine radiale Bewegung in Bezug zu dieser montiert werden kann, gekennzeichnet durch eine Keilanordnung (5) zum Sichern der Polstücke (3) an der Läufernabe (1), wobei die Keilanordnung (5) einen konischen Bereich zum Erzeugen einer Verkeilung aufweist, um die korrekte Ausrichtung der zusammenwirkenden Mittel sicherzustellen, und dass der zweite Satz von Positionierflächen (4) einen Bereich zum Anpassen an einen Keil der Keilanordnung (5) aufweist, sodass eine radiale Bewegung der Polstücke (3) relativ zu der Läufernabe (1) unterbunden wird.
Läufer nach Anspruch 1, wobei die Keilanordnung zwei Keile aufweist, deren konischen Bereiche sich überlappen, um damit die Verkeilung zu erzeugen.
Läufer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionierflächen (4) des zweiten Satzes direkt ineinander eingreifen.
Läufer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionierflächen (4) des zweiten Satzes über eine Anordnung aus unabhängigen Segmenten ineinander eingreifen, die sowohl an der Läufernabe (1) und in Polstücken (3) durch die Keilanordnung (5) befestigt sind.
Läufer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei zumindest eine Positionierfläche (2) des ersten Satzes tangential zu einem eingeschriebenen Kreis ist, der konzentrisch mit der Achse der Läufernabe (1) ist.
Läufer nach Anspruch 1, 2. 3 oder 4, wobei zumindest eine der Positionierflächen des ersten Satzes einen Zylinder definiert, der konzentrisch mit der Achse der Läufernabe (1) ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Käfig (11) aufweist, der zwischen benachbarten Polstücken (3) gelegen ist, um die Permanentmagnete (9) festzuhalten.
Läufer nach Anspruch 7, wobei der Käfig (11) in Schlitze (12) in den Polstücken (3) eingreift.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Polstücke (3) und die Läufernabe (1) einen Vorsprung aufweisen, der in einer korrespondierenden Ausnehmung der Läufernabe (1) beziehungsweise eines Polstückes (3) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagnetläufers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, die Polstücke (3) auf der Läufernabe zu positionieren, indem die miteinander zusammenwirkenden Mittel (2, 4) in Kontakt gebracht werden, und die Polstücke (3) an der Läufernabe (1) zu sichern, indem die Keilanordnung (5) in den Rotor eingefügt wird.
Motor mit einem Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Motor nach Anspruch 11, wobei der Motor eine Ausgangsleistung von 1492 bis 5,2 × 10⁷ W (2 bis 70.000 Wellenpferdestärken) hat.