DE102024103502A1 - Rotor arrangement and electric machine - Google Patents
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Abstract
Eine Rotoranordnung (30) weist eine Rotorwelle (32), erste Blechpaketsegmente (40), zweite Blechpaketsegmente (50), Permanentmagneten (60) und eine Bandage (70) auf, bei welcher die Rotorwelle (32) zumindest in einem vorgegebenen ersten axialen Abschnitt (A1) aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, bei welcher die Permanentmagneten (60) zwischen den ersten Blechpaketsegmenten (40) und den zweiten Blechpaketsegmenten (50) angeordnet sind und Rotorpole (61 - 66) ausbilden, bei welcher die ersten Blechpaketsegmente (40) an die Rotorwelle (32) und an mindestens zwei der Permanentmagneten (60) angrenzen, und bei welcher die Bandage (70) auf der radial äußeren Seite der zweiten Blechpaketsegmente (50) angeordnet ist.A rotor arrangement (30) has a rotor shaft (32), first laminated core segments (40), second laminated core segments (50), permanent magnets (60) and a bandage (70), in which the rotor shaft (32) is formed from a fiber-reinforced plastic at least in a predetermined first axial section (A1), in which the permanent magnets (60) are arranged between the first laminated core segments (40) and the second laminated core segments (50) and form rotor poles (61-66), in which the first laminated core segments (40) adjoin the rotor shaft (32) and at least two of the permanent magnets (60), and in which the bandage (70) is arranged on the radially outer side of the second laminated core segments (50).
Description
Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung und eine elektrische Maschine.The invention relates to a rotor arrangement and an electrical machine.
Die
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Rotoranordnung und eine neue elektrische Maschine bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide a new rotor arrangement and a new electric machine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch und die nebengeordneten Ansprüche.This problem is solved by the main claim and the subordinate claims.
Eine Rotoranordnung weist eine Rotorwelle, erste Blechpaketsegmente, zweite Blechpaketsegmente, Permanentmagneten und eine Bandage auf, bei welcher die Rotorwelle zumindest in einem vorgegebenen ersten axialen Abschnitt aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, bei welcher die Permanentmagneten zwischen den ersten Blechpaketsegmenten und den zweiten Blechpaketsegmenten angeordnet sind und Rotorpole ausbilden, bei welcher die ersten Blechpaketsegmente an die Rotorwelle und an mindestens zwei der Permanentmagneten angrenzen, und bei welcher die Bandage auf der radial äußeren Seite der zweiten Blechpaketsegmente angeordnet ist.
Untersuchungen haben ergeben, dass sich der mechanische Spannungsverlauf sowohl radial als auch tangential durch diese Ausgestaltung vorteilhaft beeinflussen lässt. Temperaturänderungen haben einen geringeren Einfluss auf die mechanische Spannung als bei Rotoranordnungen mit einer Rotorwelle aus Eisen bzw. Stahl.A rotor arrangement has a rotor shaft, first laminated core segments, second laminated core segments, permanent magnets and a bandage, in which the rotor shaft is formed from a fiber-reinforced plastic at least in a predetermined first axial section, in which the permanent magnets are arranged between the first laminated core segments and the second laminated core segments and form rotor poles, in which the first laminated core segments adjoin the rotor shaft and at least two of the permanent magnets, and in which the bandage is arranged on the radially outer side of the second laminated core segments.
Studies have shown that this design has a beneficial effect on the mechanical stress distribution, both radially and tangentially. Temperature changes have a smaller impact on the mechanical stress than in rotor arrangements with a rotor shaft made of iron or steel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bandage als Faserverbundbandage ausgebildet, wobei die Bandage bevorzugt einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweist.
Eine solche Bandage kann hohe Kräfte aufnehmen und damit dünn ausgebildet werden. Dies ermöglicht einen kleinen magnetischen Luftspalt.According to a preferred embodiment, the bandage is designed as a fiber composite bandage, wherein the bandage preferably comprises a carbon fiber reinforced plastic.
Such a bandage can absorb high forces and can therefore be made thin. This allows for a small magnetic air gap.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotorwelle zumindest in dem vorgegebenen ersten axialen Abschnitt aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist. Dies ist sowohl im Hinblick auf die Stabilität als auch im Hinblick auf die Dichte vorteilhaft.According to a preferred embodiment, the rotor shaft is formed from a carbon fiber-reinforced plastic, at least in the predetermined first axial section. This is advantageous both in terms of stability and density.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Rotorpole jeweils zwei V-förmig angeordnete Permanentmagneten auf. Dies führt zu einer hohen Flussdichte in der Polmitte.According to a preferred embodiment, the rotor poles each have two permanent magnets arranged in a V shape. This results in a high flux density in the pole center.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den zwei V-förmig angeordneten Permanentmagneten ein erster Raum ausgebildet, wobei der erste Raum zumindest abschnittsweise durch die zwei V-förmig angeordneten Permanentmagneten und die Rotorwelle begrenzt ist. Dies ist vorteilhaft als Flussbarriere.According to a preferred embodiment, a first space is formed between the two V-shaped permanent magnets, wherein the first space is bounded at least in sections by the two V-shaped permanent magnets and the rotor shaft. This is advantageous as a flux barrier.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Raum zumindest abschnittsweise durch die ersten Blechpaketsegmente begrenzt. Die ersten Blechpaketsegmente können vorteilhaft als Abstandhalter und zur magnetischen Flussführung genutzt werden.According to a preferred embodiment, the first space is delimited at least in sections by the first laminated core segments. The first laminated core segments can advantageously be used as spacers and for magnetic flux guidance.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Permanentmagneten von der Rotorwelle beabstandet, wobei bevorzugt zwischen den Permanentmagneten und der Rotorwelle zumindest abschnittsweise ein zugeordnetes erstes Blechpaketsegment angeordnet ist. Dies ist mechanisch vorteilhaft, da Schwingungen der Permanentmagneten nicht direkt auf die Rotorwelle übertragen werden.According to a preferred embodiment, the permanent magnets are spaced apart from the rotor shaft, with an associated first laminated core segment preferably being arranged at least partially between the permanent magnets and the rotor shaft. This is mechanically advantageous because vibrations of the permanent magnets are not directly transmitted to the rotor shaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Merkmal erfüllt aus einer Merkmalsgruppe bestehend aus:
- - Die ersten Blechpaketsegmente sind jeweils von den anderen ersten Blechpaketsegmenten beabstandet,
- - die zweiten Blechpaketsegmente sind jeweils von den anderen zweiten Blechpaketsegmenten beabstandet,
- - die ersten Blechpaketsegmente sind jeweils von den zweiten Blechpaketsegmenten beabstandet.
- - The first laminated core segments are each spaced apart from the other first laminated core segments,
- - the second laminated core segments are each spaced apart from the other second laminated core segments,
- - the first laminated core segments are each spaced apart from the second laminated core segments.
Magnetische Streuflüsse zwischen den Blechpaketsegmenten können hierdurch verhindert oder verringert werden.Magnetic stray fluxes between the laminated core segments can thereby be prevented or reduced.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rotorwelle zumindest in einem zweiten axialen Abschnitt Aussparungen auf, und die ersten Blechpaketsegmente erstrecken sich in die Aussparungen. Dies führt zu einer Verzahnung, und das für den magnetischen Fluss zur Verfügung stehende Blech wird vorteilhaft vergrößert.According to a preferred embodiment, the rotor shaft has recesses in at least a second axial section, and the first laminated core segments extend into the recesses. This results in toothing, and the lamination available for the magnetic flux is advantageously increased.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Aussparungen im Querschnitt der Rotorwelle zumindest abschnittsweise ein konkaves Profil auf. Eine Ausformung mit einer konkaven Krümmung reduziert Spannungen.According to a preferred embodiment, the recesses in the cross-section of the rotor shaft have a concave profile, at least in sections. A concave curvature reduces stresses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Blechpaketsegmente auf der der Rotorwelle zugewandten Seite zumindest abschnittsweise oder vollständig komplementär zu der zugeordneten Aussparung ausgebildet. Dies ermöglicht eine großflächige Kraftübertragung und verringert auftretende mechanische Spannungen.According to a preferred embodiment, the first laminated core segments on the side facing the rotor shaft are designed to be at least partially or completely complementary to the associated recess. This enables large-area force transmission and reduces occurring mechanical stresses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rotorwelle für jedes der ersten Blechpaketsegmente genau eine Aussparung auf. Eine solche Aussparung kann vergleichsweise groß sein, und sie erlaubt einen hohen magnetischen Fluss durch die ersten Blechpaketsegmente.According to a preferred embodiment, the rotor shaft has exactly one recess for each of the first laminated core segments. Such a recess can be comparatively large and allows a high magnetic flux through the first laminated core segments.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Anzahl der ersten Blechpaketsegmente der Anzahl der Rotorpole. Dies ermöglicht eine große Flussdichte auf der radial inneren Seite der Permanentmagneten.According to a preferred embodiment, the number of first laminated core segments corresponds to the number of rotor poles. This enables a high flux density on the radially inner side of the permanent magnets.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Anzahl der zweiten Blechpaketsegmente der Anzahl der Rotorpole. Dies ermöglicht eine hohe magnetische Flussdichte auf der radial äußeren Seite der Permanentmagneten.According to a preferred embodiment, the number of second laminated core segments corresponds to the number of rotor poles. This enables a high magnetic flux density on the radially outer side of the permanent magnets.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die ersten Blechpaketsegmente bis zur Bandage. Hierdurch kann die Bandage eine radiale Kraft auf die ersten Blechpaketsegmente ausüben, und dies führt zu einer stabilen Rotoranordnung.According to a preferred embodiment, the first laminated core segments extend to the bandage. This allows the bandage to exert a radial force on the first laminated core segments, resulting in a stable rotor arrangement.
Eine elektrische Maschine weist eine solche Rotoranordnung und eine Statoranordnung auf. Eine solche elektrische Maschine hat vorteilhafte Eigenschaften durch die Rotoranordnung.An electrical machine has such a rotor arrangement and a stator arrangement. Such an electrical machine has advantageous properties due to the rotor arrangement.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
-
1 in einem schematischen Querschnitt eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung, -
2 in einer schematischen Seitenansicht die Rotoranordnung von1 , -
3 in einer schematischen Darstellung eine nicht erfindungsgemäßen Rotoranordnung, -
4 ein Diagramm mit dem radialen mechanischen Spannungsverlauf der Rotoranordnung von3 , -
5 ein Diagramm mit dem radialen mechanischen Spannungsverlauf der Rotoranordnung von1 , -
6 ein Diagramm mit dem axialen mechanischen Spannungsverlauf der Rotoranordnung von3 , und -
7 ein Diagramm mit dem axialen mechanischen Spannungsverlauf der Rotoranordnung von1 .
-
1 in a schematic cross-section an electrical machine with a rotor arrangement, -
2 in a schematic side view the rotor arrangement of1 , -
3 in a schematic representation of a rotor arrangement not according to the invention, -
4 a diagram showing the radial mechanical stress distribution of the rotor arrangement of3 , -
5 a diagram showing the radial mechanical stress distribution of the rotor arrangement of1 , -
6 a diagram showing the axial mechanical stress distribution of the rotor arrangement of3 , and -
7 a diagram showing the axial mechanical stress distribution of the rotor arrangement of1 .
Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.In the following, identical or functionally identical parts are provided with the same reference symbols and are usually described only once. The description builds on each figure to avoid unnecessary repetition.
Die Statoranordnung 22 ist nur schematisch dargestellt, insbesondere fehlen die Statornuten und die eingelegten Wicklungen.The stator arrangement 22 is shown only schematically; in particular, the stator slots and the inserted windings are missing.
Die Rotoranordnung 30 hat eine Rotorwelle 32, erste Blechpaketsegmente 40, zweite Blechpaketsegmente 50, Permanentmagneten 60 und eine Bandage 70.The rotor assembly 30 has a rotor shaft 32, first laminated core segments 40, second laminated core segments 50, permanent magnets 60 and a bandage 70.
Die Rotorwelle 32 ist zumindest in einem vorgegebenen ersten axialen Abschnitt A1 (vgl.
Der faserverstärkte Kunststoff der Rotorwelle 32 ist bevorzugt ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.The fiber-reinforced plastic of the rotor shaft 32 is preferably a carbon fiber-reinforced plastic.
Die Permanentmagneten 60 sind zwischen den ersten Blechpaketsegmenten 40 und den zweiten Blechpaketsegmenten 50 angeordnet und bilden Rotorpole 61, 62, 63, 64, 65, 66 aus. Im Ausführungsbeispiel hat die Rotoranordnung 30 sechs Rotorpole 61 - 66, sie kann aber beispielsweise auch vier Rotorpole oder acht Rotorpole oder eine höhere Anzahl von Rotorpolen aufweisen.The permanent magnets 60 are arranged between the first laminated core segments 40 and the second laminated core segments 50 and form rotor poles 61, 62, 63, 64, 65, 66. In the exemplary embodiment, the rotor assembly 30 has six rotor poles 61-66, but it can also have, for example, four rotor poles or eight rotor poles or a higher number of rotor poles.
Die ersten Blechpaketsegmente 40 grenzen an die Rotorwelle 32 und an mindestens zwei der Permanentmagneten 60 an.The first laminated core segments 40 are adjacent to the rotor shaft 32 and to at least two of the permanent magnets 60.
Die Bandage 70 ist auf der radial äußeren Seite der zweiten Blechpaketsegmente 50 angeordnet.The bandage 70 is arranged on the radially outer side of the second laminated core segments 50.
Die Bandage 70 ist bevorzugt als Faserverbundbandage ausgebildet, wobei sie weiter bevorzugt einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweist.The bandage 70 is preferably designed as a fiber composite bandage, wherein it more preferably comprises a carbon fiber reinforced plastic.
Die Rotorpole 61 - 66 weisen jeweils zwei V-förmig angeordnete Permanentmagneten 60 auf.The rotor poles 61 - 66 each have two V-shaped permanent magnets 60.
Zwischen den zwei V-förmig angeordneten Permanentmagneten 60 eines der Pole 61 - 66 ist ein erster Raum 80 ausgebildet, wobei der erste Raum 80 zumindest abschnittsweise durch die zwei V-förmig angeordneten Permanentmagneten 60 und die Rotorwelle 32 begrenzt ist.A first space 80 is formed between the two V-shaped permanent magnets 60 of one of the poles 61 - 66, wherein the first space 80 is delimited at least in sections by the two V-shaped permanent magnets 60 and the rotor shaft 32.
Bevorzugt ist der erste Raum 80 zumindest abschnittsweise durch die ersten Blechpaketsegmente 40 begrenzt.Preferably, the first space 80 is delimited at least in sections by the first laminated core segments 40.
Der erste Raum 80 kann leer bleiben oder beispielsweise mit einem magnetisch nichtleitenden Kunststoff gefüllt werden.The first space 80 can remain empty or be filled, for example, with a magnetically non-conductive plastic.
Die Permanentmagneten 60 sind bevorzugt von der Rotorwelle 32 beabstandet, wobei bevorzugt zwischen den Permanentmagneten 60 und der Rotorwelle 32 zumindest abschnittsweise ein zugeordnetes erstes Blechpaketsegment 40 angeordnet ist.The permanent magnets 60 are preferably spaced apart from the rotor shaft 32, wherein an associated first laminated core segment 40 is preferably arranged at least in sections between the permanent magnets 60 and the rotor shaft 32.
Bevorzugt sind die ersten Blechpaketsegmente 40 jeweils von den anderen ersten Blechpaketsegmenten 40 beabstandet.Preferably, the first laminated core segments 40 are each spaced apart from the other first laminated core segments 40.
Bevorzugt sind die zweiten Blechpaketsegmente 50 jeweils von den anderen zweiten Blechpaketsegmenten 50 beabstandet.Preferably, the second laminated core segments 50 are each spaced apart from the other second laminated core segments 50.
Bevorzugt sind die ersten Blechpaketsegmente 40 jeweils von den zweiten Blechpaketsegmenten 50 beabstandet.Preferably, the first laminated core segments 40 are each spaced apart from the second laminated core segments 50.
Die Rotorwelle 32 weist zumindest in einem zweiten axialen Abschnitt A2 Aussparungen 34 auf, und die ersten Blechpaketsegmente 40 erstrecken sich in die Aussparungen 34. Dies führt zu einer Verzahnung bzw. zu einer formschlüssigen Anordnung, bei der hohe Kräfte zwischen den ersten Blechpaketsegmenten 40 und der Rotorwelle 32 übertragen werden können.The rotor shaft 32 has recesses 34 at least in a second axial section A2, and the first laminated core segments 40 extend into the recesses 34. This leads to a toothing or a positive-locking arrangement in which high forces can be transmitted between the first laminated core segments 40 and the rotor shaft 32.
Die Aussparungen 34 weisen im Querschnitt der Rotorwelle 32 zumindest abschnittsweise ein konkaves Profil auf.The recesses 34 have a concave profile in the cross section of the rotor shaft 32, at least in sections.
Die ersten Blechpaketsegmente 40 sind auf der der Rotorwelle 32 zugewandten Seite zumindest abschnittsweise komplementär zu der zugeordneten Aussparung 34 ausgebildet.The first laminated core segments 40 are formed on the side facing the rotor shaft 32 at least in sections complementary to the associated recess 34.
Die Rotorwelle 32 weist für jedes der ersten Blechpaketsegmente 40 genau eine Aussparung 34 auf.The rotor shaft 32 has exactly one recess 34 for each of the first laminated core segments 40.
In der Ausführungsform entspricht die Anzahl der ersten Blechpaketsegmente 40 der Anzahl der Rotorpole 61 - 66.In the embodiment, the number of first laminated core segments 40 corresponds to the number of rotor poles 61 - 66.
Im Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl der zweiten Blechpaketsegmente 50 der Anzahl der Rotorpole 61 - 66.In the exemplary embodiment, the number of second laminated core segments 50 corresponds to the number of rotor poles 61 - 66.
Die ersten Blechpaketsegmente 40 erstrecken sich bis zur Faserverbundbandage 70.The first laminated core segments 40 extend to the fiber composite bandage 70.
Die Linien 101 zeigen in schematischer Darstellung die magnetische Flussdichte im Bereich des Pols 65, der durch die Anordnung der V-förmigen Permanentmagneten 60 als Nordpol wirkt. Im Ausführungsbeispiel ist kein durch die Statorpole der Statoranordnung 22 erzeugtes Erregerfeld berücksichtigt.Lines 101 schematically show the magnetic flux density in the area of pole 65, which acts as the north pole due to the arrangement of the V-shaped permanent magnets 60. In the exemplary embodiment, no excitation field generated by the stator poles of the stator arrangement 22 is taken into account.
Der durch den Pol 65 erzeugte magnetische Fluss gelangt über das zugeordnete zweite Blechpaketsegment 50 und den magnetischen Luftspalt 23 in den Bereich der Statoranordnung und wird dort über den magnetischen Rückschluss (englisch: yoke) zu den Nachbarpolen 64, 66 geleitet. An den Nachbarpolen 64, 66 gelangt der magnetische Fluss über den magnetischen Luftspalt 23 zurück zu den benachbarten zweiten Blechpaketsegmenten 50 der Nachbarpole 64, 66 und zum zugeordneten Südpol der Permanentmagneten 60 der Nachbarpole 64, 66. Im Inneren der Rotoranordnung 30 kann der magnetische Fluss von den Nachbarpolen 64, 66 über das zugeordnete erste Blechpaketsegment 40 zurück zu den Permanentmagneten 60 des Rotorpols 65 gelangen. Hierbei ist die konvexe Ausgestaltung der der Rotorwelle 32 zugeordneten Fläche des ersten Blechpaketsegments 40 vorteilhaft, da der magnetische Fluss nicht eingeengt wird und damit die Gefahr einer leistungsmindernden Sättigung im Bereich des ersten Blechpaketsegments 40 verringert wird.The magnetic flux generated by pole 65 passes through the associated second laminated core segment 50 and the magnetic air gap 23 into the area of the stator arrangement and is then conducted via the magnetic yoke to the neighboring poles 64, 66. At the neighboring poles 64, 66, the magnetic flux passes through the magnetic air gap 23 back to the neighboring second laminated core segments 50 of the neighboring poles 64, 66 and to the associated south pole of the permanent magnets 60 of the neighboring poles 64, 66. Inside the rotor assembly 30, the magnetic flux from the neighboring poles 64, 66 can flow back to the permanent magnets 60 of the rotor pole 65 via the associated first laminated core segment 40. The convex design of the surface of the first laminated core segment 40 associated with the rotor shaft 32 is advantageous because the magnetic flux is not constricted, thus reducing the risk of performance-reducing saturation in the area of the first laminated core segment 40.
In der in
Die Rotoranordnung 130 hat eine Rotorwelle 132, ein ringförmiges Blechpaket 140 und Blechpaketsegmente 150. Permanentmagneten 160 sind zwischen den Blechpaketsegmenten 150 und dem ringförmigen Blechpaket 140 ausgebildet.The rotor assembly 130 has a rotor shaft 132, an annular laminated core 140, and laminated core segments 150. Permanent magnets 160 are formed between the laminated core segments 150 and the annular laminated core 140.
Eine Bandage 170 ist um die Rotoranordnung 130 herum vorgesehen.A bandage 170 is provided around the rotor assembly 130.
Die Rotoranordnung 130 wurde zum Vergleich gewählt, und die Rotorwelle 132 ist konventionell aus Eisen mit einer Massendichte von 7,63 10-9 kg/mm3.The rotor assembly 130 was chosen for comparison, and the rotor shaft 132 is conventionally made of iron with a mass density of 7.63 10 -9 kg/mm 3 .
Der Außendurchmesser der Rotoranordnung 130 wurde wie bei der Rotoranordnung 30 mit 154 mm gewählt.The outer diameter of the rotor arrangement 130 was chosen to be 154 mm, as with the rotor arrangement 30.
Die Linie 111 zeigt den mechanischen Spannungsverlauf für die nicht erfindungsgemäße Rotoranordnung 130 von
Die Linie 113 zeigt den mechanischen Spannungsverlauf für die Rotoranordnung 30 von
Die Linie 121 zeigt den mechanischen Spannungsverlauf für die nicht erfindungsgemäße Rotoranordnung 130 von
Die Linie 123 zeigt den mechanischen Spannungsverlauf für die Rotoranordnung 30 von
Bei Rotoranordnungen mit vergrabenen Permanentmagneten werden die Fliehkräfte entweder mittels Rotoreisenstegen oder durch eine tangential bzw. in Umfangsrichtung gewickelte Bandage 70 bzw. 170 aufgenommen. Die Bandagen 70 bzw. 170 sind hierbei vorgespannt, und die Festigkeitswerte der Kohlefasern in Faserrichtung liegen in der Größenordnung von bis zu 3.500 MPa.In rotor arrangements with buried permanent magnets, the centrifugal forces are absorbed either by rotor iron bars or by a tangentially or circumferentially wound bandage 70 or 170. The bandages 70 or 170 are prestressed, and the strength values of the carbon fibers in the fiber direction are in the order of magnitude of up to 3,500 MPa.
Bei der Auslegung der Bandagen 70, 170 müssen die mechanischen Spannungen durch das Untermaß, die Fliehkraftbelastung und die thermische Dehnung berücksichtigt werden.When designing the bandages 70, 170, the mechanical stresses caused by the undersize, the centrifugal force load and the thermal expansion must be taken into account.
Die Bandagenhöhe und das Untermaß zwischen der Bandage 70, 170 und dem Rotoraußendurchmesser müssen so gewählt werden, dass bei maximaler Betriebstemperatur sowie Schleuderdrehzahl die tangentiale Spannung in der Bandage nicht einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Zudem muss sichergestellt sein, dass bei minimaler Betriebstemperatur sowie Schleuderdrehzahl eine minimale Druckspannung zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorjoch nicht unterschritten wird, das dies andernfalls zu einem Lift-Off führen würde.The drum height and the undersize between the drum (70, 170) and the rotor outer diameter must be selected so that the tangential tension in the drum does not exceed a specified limit at maximum operating temperature and spin speed. Furthermore, it must be ensured that at minimum operating temperature and spin speed, a minimum compressive stress between the permanent magnets and the rotor yoke is not exceeded, as this would otherwise lead to lift-off.
Durch die stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Elektroblech (α = 12,03 10-6 K-1) und Permanentmagnet (α = 3,03 10-6 K-1) zu Kohlenstofffasern (αradial = 34,3 10-6 K-1, αtangential = 0,139 10-6 K-1) kommt es zu einer hohen zusätzlichen mechanischen Spannung in tangentialer Bandagenrichtung. Zusätzlich führt die Fliehkraftbelastung zu einer Zugspannung und reduziert somit die durch das Untermaß primär erzeugte Druckspannung, welche den Lift-Off vermeidet.Due to the very different thermal expansion coefficients of electrical steel (α = 12.03 10 -6 K -1 ) and permanent magnet (α = 3.03 10 -6 K -1 ) to carbon fibers (α radial = 34.3 10 -6 K -1 , α tangential = 0.139 10 -6 K -1 ), a high additional mechanical stress in the tangential direction of the drum. In addition, the centrifugal force load leads to tensile stress, thus reducing the compressive stress primarily generated by the undersize, which prevents lift-off.
Wie in
Im Vergleich hierzu wird aus
Wie aus
Ein weiterer Vorteil der Lösung von
Ein weiterer Vorteil der Mehrfachsegmentierung des Rotorblechs mit den Blechpaketsegmenten 40, 50 entsteht bei der Fertigung, da diese mit geringerem Verschnitt herstellbar sind als bei großen zentralen Blechpaketen wie in
Die Rotorwelle 32 weist Kohlefasern und eine Kunststoffmatrix auf, beispielsweise aus Epoxidharz. Hierdurch ist die Rotorwelle 32 elektrisch isolierend. Dies führt zu einer Reduzierung der Lagerströme, und ggf. bisher notwendige Abhilfemaßnahmen wie beispielsweise ein Ableitring können entfallen. Dies reduziert die Anzahl der erforderlichen Bauteile und damit den Montageaufwand und die Kosten.The rotor shaft 32 comprises carbon fibers and a plastic matrix, for example, made of epoxy resin. This makes the rotor shaft 32 electrically insulating. This reduces bearing currents, and previously necessary mitigating measures such as a diverter ring can be eliminated. This reduces the number of required components and thus the assembly effort and costs.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.Naturally, various variations and modifications are possible within the scope of the present invention.
Anstelle von oder zusätzlich zu den Kohlenstofffasern können für die faserverstärkten Kunststoffe auch Glasfasern genutzt werden.Instead of or in addition to carbon fibers, glass fibers can also be used for fiber-reinforced plastics.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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