DE102013208179A1 - A machine component for providing a magnetic field and electric machine with a machine component - Google Patents
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Abstract
Offenbart wird eine Maschinenkomponente (8, 10) zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes in einen angrenzenden Luftspaltes (12) in einem Elektromotor (2), umfassend – ein Trägerelement (13, 32), – eine zum Luftspalt (12) hin ausgerichtete und magnetisch leitfähige Hülse (9, 34, 48), und – wenigstens zwei radial zwischen dem Trägerelement (13, 32) und der Hülse (9, 34, 48) angeordnete Erregermagnetpole (18; 36; 52), die das magnetische Feld über die Hülse (9, 34, 48) in den Luftspalt (12) eintragen, – wobei die Hülse (9, 34, 48) zwischen den beiden Erregermagnetpolen (18; 36; 52) eine magnetische Isolation (24, 26; 38, 40; 54, 56) aufweist.Disclosed is a machine component (8, 10) for providing a magnetic field in an adjacent air gap (12) in an electric motor (2), comprising - a carrier element (13, 32), - a magnetically conductive, oriented towards the air gap (12) Sleeve (9, 34, 48), and - at least two excitation magnetic poles (18; 36; 52) arranged radially between the carrier element (13, 32) and the sleeve (9, 34, 48), which transmit the magnetic field via the sleeve ( 9, 34, 48) into the air gap (12), - the sleeve (9, 34, 48) between the two exciter magnetic poles (18; 36; 52) providing magnetic insulation (24, 26; 38, 40; 54, 56).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes und eine elektrische Maschine mit einer Maschinenkomponente.The invention relates to a machine component for providing a magnetic field and to an electrical machine with a machine component.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Die Hülse ist radial zwischen den Erregermagnetpolen und dem Luftspalt angeordnet, wobei das magnetische Feld aus den Erregermagnetpolen radial über die Hülse geleitet werden muss. Die Hülse ist in der Regel aus einem magnetischen Material ausgebildet und schließt daher die Erregermagnetpole, die in Umfangsrichtung um die Hülse angeordnet sind, magnetisch kurz. The sleeve is arranged radially between the exciter magnetic poles and the air gap, wherein the magnetic field from the exciter magnetic poles must be conducted radially over the sleeve. The sleeve is usually formed of a magnetic material and therefore includes the excitation magnetic poles, which are arranged circumferentially around the sleeve, magnetically short.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die magnetischen Streuverluste reduziert sind.It is therefore an object of the invention to provide an improved electrical machine in which the magnetic leakage losses are reduced.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß ist eine Maschinenkomponente zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes gemäß Anspruch 1 sowie eine elektrische Maschine mit einer Maschinenkomponente und ein Verfahren zum Herstellen einer magnetisch leitfähigen Hülse für eine Maschinenkomponente gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a machine component for providing a magnetic field according to claim 1 and an electrical machine with a machine component and a method for producing a magnetically conductive sleeve for a machine component according to the independent claims are provided.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Maschinenkomponente zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes in einen angrenzenden Luftspaltes in einer elektrischen Maschine, ein Trägerelement, eine zum Luftspalt hin ausgerichtete und magnetisch leitfähige Hülse, und wenigstens zwei radial zwischen dem Trägerelement und der Hülse angeordnete Erregermagnetpole, die das magnetische Feld über die Hülse in den Luftspalt eintragen, wobei die Hülse zwischen den beiden Trägermagnetpolen magnetisch isolierend ausgebildet ist.According to one aspect of the invention, a machine component for providing a magnetic field in an adjacent air gap in an electric machine, a support member, an air gap aligned and magnetically conductive sleeve, and at least two radially disposed between the support member and the sleeve exciter magnetic poles, the enter magnetic field over the sleeve in the air gap, wherein the sleeve between the two carrier magnetic poles is magnetically insulating.
Die obige Maschinenkomponente kann ein Rotor oder ein Stator in der elektrischen Maschine sein, die mittels der Erregermagnetpole ein magnetisches Hauptfeld oder ein magnetisches Querfeld in einer dem Fachmann bekannten Weise zum Betrieb der elektrischen Maschine erregen. Der Luftspalt ist daher radial zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung dazu. Die Erregermagnetpole können daher entweder elektrische Magnetspulen oder Permanentmagnete aufweisen.The above machine component may be a rotor or a stator in the electric machine that excite, by means of the exciter magnetic poles, a main magnetic field or a transverse magnetic field in a manner known to those skilled in the art for operating the electrical machine. The air gap is therefore arranged radially between the rotor and the stator and extends in the circumferential direction thereto. The excitation magnetic poles can therefore have either electrical magnetic coils or permanent magnets.
Die Hülse der obigen Maschinenkomponente kann die Erregermagnetpole am Stator oder Rotor halten. Die Hülse ist radial zwischen den Erregermagnetpolen und dem Luftspalt angeordnet, wobei das magnetische Feld aus den Erregermagnetpolen radial über die Hülse geleitet werden muss. Daher sollte die Hülse magnetisch leitfähig ausgebildet sein.The sleeve of the above machine component can hold the exciter magnetic poles on the stator or rotor. The sleeve is arranged radially between the exciter magnetic poles and the air gap, wherein the magnetic field from the exciter magnetic poles must be conducted radially over the sleeve. Therefore, the sleeve should be formed magnetically conductive.
Diese Überlegung zugrunde gelegt wird im Rahmen der obigen Maschinenkomponente jedoch erkannt, dass die magnetisch leitfähige Hülse die Erregermagnetpole, die in Umfangsrichtung um die Hülse angeordnet sind, in Umfangsrichtung magnetisch kurzschließt. Um dies zu vermeiden wird im Rahmen der obigen Maschinenkomponente vorgeschlagen, die Hülse zwischen den Erregermagnetpolen magnetisch isolierend auszubilden, oder, mit anderen Worten, in der Hülse eine magnetische Trennung zwischen den Erregermagnetpolen einzubringen.However, based on this consideration, it is recognized in the above machine component that the magnetically conductive sleeve magnetically short-circuits the excitation magnetic poles circumferentially around the sleeve in the circumferential direction. To avoid this, it is proposed in the context of the above machine component to form the sleeve magnetically insulating between the excitation magnetic poles, or, in other words, to introduce a magnetic separation between the exciter magnetic poles in the sleeve.
Auf diese Weise erreicht das der obigen Maschinenkomponente radial gegenüberliegende Bauteil in der elektrischen Maschine mehr magnetischer Fluss aus dem magnetischen Feld, so dass der Rotor bei einem gleich bleibenden magnetischen Gesamtfeld mit mehr magnetischer Kraft angetrieben werden kann, was zu einer deutlichen Erhöhung mit der elektrischen Maschine erreichbaren Drehmomentdichte und somit zu einer deutlichen Steigerung seines Wirkungsgrades führt. Auf diese Weise wird die elektrische Maschine verbessert.In this way, the component radially opposite the above machine component in the electric machine achieves more magnetic flux from the magnetic field, so that the rotor can be driven with more magnetic force with a constant overall magnetic field, resulting in a significant increase with the electric machine achievable torque density and thus leads to a significant increase in its efficiency. In this way, the electric machine is improved.
In einer Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente umfasst die magnetische Isolation der Hülse einen axial durch die Hülse verlaufenden Aufnahmeraum. Prinzipiell könnte die magnetische Trennung oder Isolation in einer beliebigen Weise eingebracht werden, indem die Hülse beispielsweise mehrstückig aus magnetisch leitenden und magnetisch isolierenden Abschnitten aufgebaut wird. In besonders günstiger Weise erlaubt es der Aufnahmeraum die Hülse einstückig aufzubauen, und die magnetische Isolierung im Nachhinein einzubringen. Die einstückige Hülse erweitert das Spektrum an möglichen Herstellungsverfahren für die Hülse, die nun kostengünstig und mit wenigen Taktzyklen beispielsweise durch Pressen, Grießen oder Tiefziehen hergestellt werden kann.In one embodiment of the above machine component, the magnetic insulation of the sleeve comprises an axially extending through the sleeve receiving space. In principle, the magnetic separation or insulation could be introduced in any way, for example, by constructing the sleeve in several pieces from magnetically conducting and magnetically insulating sections. In a particularly favorable manner, it allows the receiving space to build the sleeve in one piece, and to introduce the magnetic insulation in retrospect. The one-piece sleeve expands the range of possible manufacturing process for the sleeve, which can now be produced inexpensively and with few clock cycles, for example by pressing, molding or deep drawing.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente ist der Aufnahmeraum mit einem magnetisch isolierenden Material ausgefüllt. Auf diese Weise kann das für die magnetische Isolierung verwendete Material mit einem hohen magnetischen Widerstand ausgewählt werden, der eine wirkungsvolle magnetische Unterbrechung in die Hülse einbringt. In a further embodiment of the above machine component, the receiving space is filled with a magnetically insulating material. In this way, the material used for the magnetic insulation with a high magnetic resistance, which introduces an effective magnetic break in the sleeve.
Das magnetisch isolierende Material wird in einer Ausführungsform in den Aufnahmeraum durch Aufschmelzen eingebracht. Das magnetisch isolierende Material wird dabei seiner Zusammensetzung so definiert, dass sich durch ein gemeinsames Aufschmelzen von magnetisch flussleitenden Material der Hülse und magnetisch isolierenden Material im umschmolzenen Bereich für das gesamte Intervall der Temperaturen, die bei Fertigung, Stillstand oder Betrieb der elektrischen Maschine auftreten, ein austenitisches Gefüge einstellt, das nicht, wie die Hülse, ferromagnetisch ist. The magnetically insulating material is introduced into the receiving space by melting in one embodiment. The magnetically insulating material is thereby defined its composition so that by a common melting of magnetic flux-conducting material of the sleeve and magnetically insulating material in umschmolzenen area for the entire interval of temperatures that occur during manufacture, standstill or operation of the electrical machine, a austenitic structure that is not, like the sleeve, ferromagnetic.
Das magnetisch isolierende Material kann einen hohen Gehalt an Nickel, Mangan und/oder Kupfer aufweisen. Die magnetisch isolierende Wirkung kann durch einen zusätzlichen Gehalt an Kohlenstoff und/oder Chrom erhöht werden. Dabei kann der aufgeschmolzene Bereich zwischen der Hülse und dem magnetisch isolierenden Material im Bereich des Aufnahmeraumes 0 bis 35% Nickel, 0 bis 25% Mangan, 0 bis 10% Kupfer, 0 bis 1% Kohlenstoff und 0 bis 25% Chrom aufweisen. Der Rest des Materials im aufgeschmolzenen Bereich kann Eisen oder stahltypische Begleitelemente umfassen. The magnetically insulating material may have a high content of nickel, manganese and / or copper. The magnetically insulating effect can be increased by an additional content of carbon and / or chromium. The molten area between the sleeve and the magnetically insulating material in the region of the receiving space can have 0 to 35% nickel, 0 to 25% manganese, 0 to 10% copper, 0 to 1% carbon and 0 to 25% chromium. The remainder of the material in the molten area may comprise iron or steel-like accompanying elements.
In einer weiteren Ausführungsform kann das magnetisch isolierende Material als Band, Draht, Stabmaterial oder Pulver auf die Hülse vor oder während des Aufschmelzens aufgelegt werden. Die zum Umschmelzen notwendige Energie kann dabei durch eine Schweißtechnik, wie zum Beispiel Laser-, Plasma- oder Lichtbogenschweißen, eingebracht werden. Dabei kann sich der Aufnahmeraum erst im Rahmen des Aufschmelzprozesses bilden. In a further embodiment, the magnetically insulating material may be applied as a tape, wire, rod material or powder to the sleeve before or during reflow. The energy required for remelting can be introduced by a welding technique, such as laser, plasma or arc welding. The receiving space can only form during the melting process.
In einer anderen Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente ist die Hülse ein Blechpaket, das durch das magnetisch isolierende Material axial verbunden ist. Insbesondere durch das vorgenannte Aufschmelzen in axialer Richtung können mechanische Verbindungselemente zwischen den einzelnen Blechen des Blechpakets, wie Stanzpaketierungspunkte entfallen. In another embodiment of the above machine component, the sleeve is a laminated core that is axially connected by the magnetically insulating material. In particular, by the aforementioned melting in the axial direction can be omitted mechanical connecting elements between the individual sheets of the laminated core, such as punching parcel points.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente ist das Blechpaket als Blechwendel ausgebildet. Dadurch ist das Blechpaket einstückig ausgebildet und muss nicht erst in einem Paketierungsprozess zusammengesetzt werden, wodurch Fehler hinsichtlich der Anzahl zu paketierender Bleche reduziert werden können. Ferner kann die Blechwendel fertigungstechnisch aus einem Streifen hergestellt werden. Die gesamte als Blechpaket ausgeführte Hülse kann somit mit weniger Materialabfall und damit mit einem höheren Materialausnutzungsgrad hergestellt werden.In a further embodiment of the above machine component, the laminated core is formed as a plate coil. As a result, the laminated core is formed in one piece and does not have to be assembled in a packaging process, whereby errors in the number of sheets to be packaged can be reduced. Furthermore, the sheet metal coil can be manufactured from a manufacturing technology. The entire designed as a laminated core sleeve can thus be produced with less material waste and thus with a higher degree of material utilization.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente ist der Aufnahmeraum als Durchgangsbohrung durch die Hülse ausgebildet. In dem Aufnahmeraum kann das magnetisch isolierende Material in Form von Stiften vor dem Aufschmelzprozess eingesetzt werden, wodurch die einzelnen Bleche zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise lassen sich bei der Herstellung der obigen Maschinenkomponente der Paketierungsprozess, der Aufschmelzprozess und der Ausrichtprozess in einem einzigen Herstellungsschritt vereinen. In a further embodiment of the above machine component, the receiving space is formed as a through-hole through the sleeve. In the receiving space, the magnetically insulating material can be used in the form of pins before the reflow process, whereby the individual sheets are aligned with each other. In this way, in the manufacture of the above machine component, the packaging process, the reflow process, and the alignment process can be combined in a single manufacturing step.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente weist die Hülse an den Stellen der Erregermagnetpole radiale Vorsprünge auf, in denen die Erregermagnetpole aufgenommen sind. Die radialen Vorsprünge erlauben es, in Umfangsrichtung der Maschinenkomponente betrachtet, zwischen den radialen Vorsprüngen auf Material zu verzichten und so die Maschinenkomponente kostengünstiger und leichter auszubilden.In a further embodiment of the above machine component, the sleeve has at the locations of the exciter magnetic poles on radial projections in which the exciter magnetic poles are received. The radial projections, viewed in the circumferential direction of the machine component, allow material to be dispensed between between the radial projections, thereby making the machine component less expensive and lighter.
In einer Ausführungsform der obigen Maschinenkomponente ist die magnetische Isolation in Umfangsrichtung der Maschinenkomponente betrachtet an einer Seite der radialen Vorsprünge vor und/oder nach den Erregermagnetpolen ausgebildet. Auf diese Weise wird ein Austritt des magnetischen Flusses in Umfangrichtung der Maschinenkomponente vermieden. Vielmehr wird der magnetische Fluss in radialer Richtung homogenisiert und konzentriert. In an embodiment of the above machine component, the magnetic isolation in the circumferential direction of the machine component is formed on one side of the radial projections before and / or after the exciting magnetic poles. In this way, leakage of the magnetic flux in the circumferential direction of the machine component is avoided. Rather, the magnetic flux is homogenized and concentrated in the radial direction.
Weiterhin kann die magnetische Isolation als austenitische Legierungszone ausgebildet sein.Furthermore, the magnetic insulation may be formed as an austenitic alloy zone.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, einen Stator und einen zum Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor als die obige Maschinenkomponente ausgebildet sind.According to a further aspect of the invention, an electric machine, in particular an electric motor, comprises a stator and a rotor which is rotatably arranged relative to the stator, wherein the stator and / or the rotor are designed as the above machine component.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer magnetisch leitfähigen Hülse für eine Maschinenkomponente zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes in einen angrenzenden Luftspaltes in einer elektrischen Maschine, wobei zwischen einem Trägerelement und der Hülse zwei Erregermagnetpole angeordnet sind, die das magnetische Feld über die Hülse in den Luftspalt eintragen, die Schritte:
- – Formen eines magnetisch leitfähigen Grundkörpers für die Hülse; und
- – Ausbilden einer magnetischen Isolation in dem magnetisch leitfähigen Grundkörper, so dass ein magnetischer Fluss durch den magnetisch leitfähigen Grundkörper geschwächt oder unterbunden wird.
- - Forming a magnetically conductive body for the sleeve; and
- - Forming a magnetic insulation in the magnetically conductive base body, so that a magnetic flux is weakened or prevented by the magnetically conductive body.
In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird die magnetische Isolation durch Aufschmelzen und/oder Umschmelzlegieren ausgebildet. In a development of the specified method, the magnetic insulation is formed by melting and / or remelting.
In einer zusätzlichen Weiterbildung wird der magnetisch leitfähige Grundkörper zum Aufschmelzen und/oder Umschmelzlegieren insbesondere mit einem Laser, mit Plasma oder mit einem Lichtbogen aufgeschweißt.In an additional development of the magnetically conductive base body is melted for melting and / or remelting, in particular with a laser, with plasma or with an arc.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, elements of identical or comparable function are provided with the same reference numerals and described only once.
Es wird auf
Im Betrieb des Elektromotors
Es wird auf
Den Haltekäfig
An den beiden Seitenbereichen
In diese Durchgangsbohrungen
Das Material der Stifte
In
Es wird auf
An zwei von der Drehachse
Die Blechwendel
Um den zur Ausbildung der austenitischen Legierungszonen
Die magnetische Isolation durch die Legierungszonen
Es wird auf
Der Rotorring
Diese Legierungszonen
Die magnetische Isolation durch das magnetisch isolierende Material in den Legierungszonen
Wie in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |