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WO2014048464A1 - Aktivteil einer elektrischen maschine, radialmagnetlager und verfahren zur herstellung eines radialmagnetlagers - Google Patents

Aktivteil einer elektrischen maschine, radialmagnetlager und verfahren zur herstellung eines radialmagnetlagers Download PDF

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Publication number
WO2014048464A1
WO2014048464A1 PCT/EP2012/068972 EP2012068972W WO2014048464A1 WO 2014048464 A1 WO2014048464 A1 WO 2014048464A1 EP 2012068972 W EP2012068972 W EP 2012068972W WO 2014048464 A1 WO2014048464 A1 WO 2014048464A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
active part
teeth
tooth
magnetic bearing
radial magnetic
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/068972
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Lang
Wennie WANG
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2012/068972 priority Critical patent/WO2014048464A1/de
Priority to RU2015115527A priority patent/RU2644570C2/ru
Priority to PCT/EP2013/069998 priority patent/WO2014049007A1/de
Priority to US14/431,165 priority patent/US9777770B2/en
Priority to EP18000994.6A priority patent/EP3487040A1/de
Priority to EP13776743.0A priority patent/EP2885854B1/de
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    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine
    • Y10T29/49012—Rotor

Definitions

  • the invention relates to an active part of an electric machine with teeth, each having a tooth root and a tooth height, between the teeth arranged, open or closed grooves, and introduced in the grooves windings, each of which surround at least one of the teeth, wherein the active part from the outer surface of the respective tooth roots and in extension of the teeth has an active part thickness which is greater than the tooth height.
  • the invention relates to such an electric machine, a radial magnetic bearing with such an active part and a method for producing such a radial magnetic bearing.
  • Electrical machines can be designed, for example, as motors, such as linear motors and rotary motors, as generators or as magnetic bearings, in particular radial magnetic bearings.
  • Such an active part is used for example in a akti ⁇ ven radial magnetic bearing, which comprises a stator and a rotor.
  • the stator usually consists of egg ⁇ nem laminated core with multiple coils. These coils create a magnetic field that exerts a force on the rotor.
  • the achievable force density depends inter alia on the square of the magnetic flux density.
  • the highest possible flux density must be able to be generated.
  • the maximum flux density is limited by the material properties ⁇ properties of the sheet material used.
  • Magnetla ⁇ ger are usually operated with magnetic flux densities in the range of 1.2 to 1.5 Tesla.
  • a known way to increase the magnetic flux density is the use of sheet material made of cobalt-iron alloys (Co-Fe alloys). This gives flux densities of up to 2 Tesla possible. This corresponds approximately to a doubling of the force density.
  • a disadvantage of this solution is the very expensive material compared to standard sheets. Furthermore, the cobalt-iron sheet is available only in such dimensions, which make necessary for larger magnetic bearings, for example, with diameters greater than 300 mm, a segmentation.
  • each three adjacent teeth with the guided around the teeth windings form E-shaped Ele- romagnete.
  • the electromagnets can, for example ⁇ consist of a cobalt-iron alloy.
  • the wedges are provided at the radially outer edge between the electromagnetic ⁇ th and a electromagnets and the wedges receiving housing, wherein both the wedges and the Ge ⁇ housing of non-magnetic material.
  • the invention has the object of providing an active part be ⁇ riding determine which has comparatively good magnetic properties ⁇ egg and thereby inexpensive to manufacture.
  • an active part of the aforementioned type characterized in that the active part starting from jeweili ⁇ gen tooth root up to a boundary depth which is at most equal to the tooth height, comprises a first material having a first magnetic ⁇ tables permeability and from the boundary depth a second material comprising a second magnetic permeability, wherein the first magnetic permeability is greater than the second magnetic permeability.
  • This object is further achieved in each case by an electric machine and a Ra ⁇ dialmagnetlager with such an active part.
  • the invention consists in producing only those parts of the stator made of a highly permeable material, which in operation tend to be exposed to high flux densities.
  • the active part in particular in the case of a magnetic bearing stator, this concerns the magnetic poles, i. those parts of the teeth from the tooth root to the deepest point of the groove.
  • the advantage consists of the combination of the two properties, namely that higher flux densities can be achieved than with conventional sheet materials and at the same time cost advantages are achieved in comparison to active parts which are made exclusively of highly permeable material. stand. This is achieved in that only those parts of the active part are made of more expensive, highly permeable material in which the highest magnetic flux densities occur during operation of the active part.
  • the limit depth is half as large as the tooth height.
  • the respective teeth only up to half the tooth height comprise ⁇ out starting from the tooth base, the first, highly permeable material.
  • the expensive re, highly permeable material used only for those areas of the jeweili ⁇ gen magnetic pole in which the highest magneti ⁇ rule flux densities are expected.
  • the first material is made of a cobalt-iron alloy, wherein the second material is made of steel.
  • the first material By carrying out the first material as a cobalt-iron alloy, large magnetic flux densities of up to 2 Tesla can be achieved in the first material. Because the comparatively expensive cobalt-iron alloy is ⁇ only sets there is, where large flux densities are achieved, the use of this material is particularly economical.
  • the second material which is less important to the magnetic properties and the achievable performance of the active part is, on the other hand led out particularly cost-fabricable steel from ⁇ .
  • the first material and / or the second material is executed in ge ⁇ blechter form and the respective sheets are arranged in planes which are perpendicular to the grooves.
  • the plates are arranged such that the fact that he wished ⁇ magnetic field lines are particularly well directed and undesirable eddy currents can be effectively prevented.
  • the grooves are arranged along a certain direction.
  • the slots are arranged in the axial direction of the rotor.
  • the grooves are arranged along the direction of movement of the rotor.
  • the direction of the slots in rotary machines can have a slight deviation from the axial direction or, in the case of linear motors, from the direction transverse to the direction of movement.
  • the sheets both of the first and the second material are thus arranged senk ⁇ right to the grooves.
  • the windings are each designed as tooth coils. This means that a winding runs only around a single tooth at a time, so that this tooth forms a magnetic pole as soon as the tooth winding is energized.
  • the electric machine is designed as a linear motor or rotatory electric motor.
  • the motors can be designed especially as synchronous motors or as asynchronous motors, wherein the active part forms the stator of the motor.
  • the active part of the radial magnetic bearing is designed as a hollow cylinder-shaped stator, wherein the tooth feet with respect to the hollow cylinder point radially inward.
  • the hollow cylinder of the stator is formed by the annularly arranged teeth, the toothed feet point radially inward.
  • the teeth are made of the respective tooth root to the limit depth of the first, highly permeable material and the rest, radially outward
  • Part of the stator made of the second material with lower Per ⁇ meability.
  • the radial magnetic bearing serves to absorb radial forces of a shaft arranged inside the radial magnetic bearing, wherein the coils of the radial magnetic bearing are usually supplied with current by a converter, wherein the converter is in turn controlled by a controller.
  • the control example ⁇ as sensor data or certain components of the applied on the Spu ⁇ len stream can use.
  • the inventive method provides for the production of blown teeth and the laminated outer stator hollow cylinder, wherein the connection of the sheets is achieved to a laminated core, for example by welding or gluing the sheets or in that the sheets are provided with back ⁇ paint and then the stacked sheets are heated for connection.
  • the inner stator hollow cylinder and the outer stator hollow cylinder may be joined together by heating the outer stator hollow cylinder and shrunk onto the inner stator hollow cylinder.
  • FIG. 1 shows a cross section of a radial magnetic bearing according to
  • FIG. 5 shows a detail of a fourth embodiment of the active part according to the invention for a Radialmag ⁇ netlager.
  • the radial magnetic bearing has a hollow cylindrical active part, within which a shaft not shown in detail is arranged concentrically to the axis of the active part.
  • the active part is formed by juxtaposed teeth 1, which have a tooth height 3 and a tooth root 2, which points radially inward. Between two adjacent teeth 1 axially extending grooves 4 are arranged, in which windings 8 are introduced.
  • the active part has one of radially inward radially outward measured active thickness 5 on.
  • the sheets are stacked in the axial direction and made of a single material, for example, steel or an alloy with comparatively high magnetic permeability is used.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the active part according to the invention for a linear motor.
  • the active part has teeth 1 with tooth roots 2, the teeth 1 having a tooth height 3 and the active part having an active part thickness 5. Between adjacent teeth 1 open grooves 4 are arranged, in which windings 8 are introduced.
  • tooth coils can be provided for the individual teeth 1, so that each individual tooth 1 forms a magnetic pole when the respective coils are energized.
  • the teeth 1 of the active part of a first mate rial ⁇ are made with a higher magnetic permeability.
  • the remaining region of the active part is, however, Untitled gefer- of a two ⁇ th material having a lower magnetic permeability.
  • the first material may be designed as a ge ⁇ blechte cobalt-iron alloy and the second material as a steel sheet, wherein the respective sheets are stacked perpendicular to the direction of the grooves 4.
  • the active part is designed as a stator of a linear motor
  • the rotor of the linear motor is movable on the side of the tooth ⁇ feet 2 perpendicular to the grooves 4 and along the adjacent teeth 1, that is, in the illustration of Figure 2 from right to left or vice versa ,
  • Figure 3 shows a second embodiment of the Invention ⁇ proper active portion for a linear motor.
  • the same reference symbols as in FIG. 2 denote the same objects.
  • the grooves 4 are designed as closed grooves 4 in the context of the second embodiment.
  • the limit depth 9 is now equal to half the tooth height 3, so that the teeth 1 are made from their respective tooth root 2 to the limit depth 9 of the first Ma ⁇ material and the remaining area of the respec ⁇ gene teeth 1 is made of the second material ,
  • Figure 4 shows a detail of a third exemplary embodiment of the active part according to the invention for a radial magnetic bearings ⁇ . Shown is a quarter of a cross section through the hollow cylindrical active part. The detail shows three teeth ⁇ ne 1, each having an inwardly directed tooth 2 and a tooth height 3. Between adjacent teeth 1 approximately wedge-shaped grooves 4 are arranged, in which
  • Windings 8 are introduced.
  • the windings 8 can be designed, for example, as tooth coils.
  • the active part is made radially inward, beginning at the respective tooth roots 2, radially outward to a limit depth 9, which in this case is equal to the tooth height 3, of a first material having a higher magnetic permeability.
  • a limit depth 9 which in this case is equal to the tooth height 3, of a first material having a higher magnetic permeability.
  • Starting from the depth boundary 9 to the radially externa ⁇ ßeren edge of the active portion is the active part of a second material having a lower magnetic permeability.
  • the first material can be embodied as a braided co ⁇ balt-iron alloy and the second material as a steel sheet, wherein the respective sheets are stacked perpendicular to the axis of the hollow cylinder.
  • Figure 5 shows a detail of a fourth,sbei ⁇ game of the active part according to the invention for a radial magnetic bearings ⁇ .
  • the same reference numerals as in FIG. 4 designate the same objects, again showing a quarter of a cross section through the hollow cylindrical active part.
  • the individual teeth 1 are made up to a boundary depth of 9 from egg ⁇ nem first material, wherein the boundary depth is in the 9 Un ⁇ ter Kunststoff to the third embodiment is equal to half the tooth height. 3
  • the grooves 4 are now executed closed, which can save losses due to positive effects on Nevertheless ⁇ re harmonics of the magnetic flux.
  • the first material may in turn be embodied as a nonwoven co ⁇ balt-iron alloy and the second material as a steel sheet, wherein the respective sheets are stacked perpendicular to the axis of the hollow cylinder.
  • a radial magnetic bearing whose active part has been illustrated in the third or fourth embodiment can be manufactured beispielswei ⁇ se in such a way that the active part is executed as a hollow-lindrischer stator, which is composed of an inner stator hollow cylinder and an outer stator hollow cylinder.
  • the inner stator hollow cylinder is the area from the tooth roots 2 radially outward to the limit depth 9 and the outer stator hollow cylinder is the range from the limit depth 9 to the radially outer edge of the active part.
  • the respective active part of the third and fourth exporting ⁇ approximately example of a radial magnetic bearing may adjustments without great arrival also be used for a rotary electric motor.
  • the invention relates to an active part of an electric machine with teeth, each having a tooth root and a tooth height, between the teeth angeord ⁇ designated, open or closed grooves, and in the grooves ⁇ introduced windings, each of which at least one of the teeth enclose, wherein the active part from the outer surface of the respective tooth roots and in extension of the teeth has an active part thickness which is greater than the tooth height.
  • Au ⁇ ßerdem the invention relates to such an electrical Ma ⁇ machine, a radial magnetic bearing having such active part, as well as a method for producing such a radial magnetic bearing.
  • the active part starting from the respective tooth root up to a
  • Limit depth which is at most equal to the tooth height, comprises a first material having a first magnetic permeability and from the limit depth comprises a second material having a second magnetic permeability, wherein the first magnetic permeability is greater than the second magnetic permeability.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aktivteil einer elektrischen Maschine mit Zähnen (1), welche jeweils einen Zahnfuß (2) und eine Zahnhöhe (3) aufweisen, zwischen den Zähnen (1) angeordnete, offene oder geschlossene Nuten (4), und in den Nuten (4) eingebrachten Wicklungen (8), welche jeweils zumindest einen der Zähne (1) umschließen, wobei das Aktivteil ab der äußeren Oberfläche der jeweiligen Zahnfüße (2) und in Verlängerung der Zähne (1) eine Aktivteildicke (5) aufweist, die größer als die Zahnhöhe (3) ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine derartige elektrische Maschine, ein Radialmagnetlager mit einem derartigen Aktivteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Radialmagnetlagers. Um ein Aktivteil bereitzustellen, welches vergleichsweise gute magnetische Eigenschaften besitzt und dabei kostengünstig herzustellen ist, wird vorgeschlagen, dass das Aktivteil ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß (2) bis zu einer Grenztiefe (9), welche höchstens gleich der Zahnhöhe (3) ist, ein erstes Material mit einer ersten magnetischen Permeabilität umfasst und ab der Grenztiefe (9) ein zweites Material mit einer zweiten magnetischen Permeabilität umfasst, wobei die erste magnetische Permeabilität größer als die zweite magnetische Permeabilität ist.

Description

Beschreibung
Aktivteil einer elektrischen Maschine, Radialmagnetlager und Verfahren zur Herstellung eines Radialmagnetlagers
Die Erfindung betrifft ein Aktivteil einer elektrischen Maschine mit Zähnen, welche jeweils einen Zahnfuß und eine Zahnhöhe aufweisen, zwischen den Zähnen angeordnete, offene oder geschlossene Nuten, und in den Nuten eingebrachten Wick- lungen, welche jeweils zumindest einen der Zähne umschließen, wobei das Aktivteil ab der äußeren Oberfläche der jeweiligen Zahnfüße und in Verlängerung der Zähne eine Aktivteildicke aufweist, die größer als die Zahnhöhe ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine derartige elektrische Maschine, ein Radi- almagnetlager mit einem derartigen Aktivteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Radialmagnetlagers.
Elektrische Maschinen können beispielsweise als Motoren, wie Linearmotoren und rotatorische Motoren, als Generatoren oder auch als Magnetlager, insbesondere Radialmagnetlager, ausgeführt sein.
Ein derartiges Aktivteil kommt beispielsweise bei einem akti¬ ven Radialmagnetlager zum Einsatz, welches einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Stator besteht üblicherweise aus ei¬ nem Blechpaket mit mehreren Spulen. Diese Spulen erzeugen ein Magnetfeld, das eine Kraftwirkung auf den Rotor ausübt. Die dabei erzielbare Kraftdichte hängt unter anderem vom Quadrat der Magnetflussdichte ab. Um ein kompaktes Magnetlager zu bauen, muss eine möglichst hohe Flussdichte erzeugt werden können. Die maximale Flussdichte ist durch die Materialeigen¬ schaften des eingesetzten Blechmaterials begrenzt. Magnetla¬ ger werden üblicherweise mit magnetischen Flussdichten im Bereich von 1,2 bis 1,5 Tesla betrieben.
Ein bekannter Weg zur Erhöhung der Magnetflussdichte ist der Einsatz von Blechmaterial aus Kobalt-Eisen-Legierungen (Co- Fe-Legierungen) . Damit sind Flussdichten von bis zu 2 Tesla möglich. Das entspricht ungefähr einer Verdopplung der Kraftdichte. Ein Nachteil dieser Lösung ist das im Vergleich zu Standardblechen sehr teure Material. Weiterhin ist das Kobalt-Eisen-Blech nur in solchen Abmessungen verfügbar, die bei größeren Magnetlagern, beispielsweise bei Durchmessern größer als 300 mm, eine Segmentierung notwendig machen.
Aus der US2011/0316376A1 ist ein Radialmagnetlager bekannt, welches ein als hohlzylinderförmiger Stator ausgeführtes Ak- tivteil mit Zähnen und um einige der Zähne herum geführten
Wicklungen aufweist, wobei jeweils drei benachbarte Zähne mit den um die Zähne herum geführten Wicklungen E-förmige Elekt- romagnete bilden. Dabei können die Elektromagnete beispiels¬ weise aus einer Kobalt-Eisen-Legierung bestehen. Weiterhin sind Keile am radial äußeren Rand zwischen den Elektromagne¬ ten sowie ein die Elektromagnete und die Keile aufnehmendes Gehäuse vorgesehen, wobei sowohl die Keile als auch das Ge¬ häuse aus nicht-magnetischem Material bestehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aktivteil be¬ reitzustellen, welches vergleichsweise gute magnetische Ei¬ genschaften besitzt und dabei kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Aktivteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Aktivteil ausgehend vom jeweili¬ gen Zahnfuß bis zu einer Grenztiefe, welche höchstens gleich der Zahnhöhe ist, ein erstes Material mit einer ersten magne¬ tischen Permeabilität umfasst und ab der Grenztiefe ein zwei¬ tes Material mit einer zweiten magnetischen Permeabilität um- fasst, wobei die erste magnetische Permeabilität größer als die zweite magnetische Permeabilität ist. Diese Aufgabe wird weiterhin jeweils durch eine elektrische Maschine und ein Ra¬ dialmagnetlager mit einem derartigen Aktivteil gelöst. Schließlich wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst :
- Herstellen der einzelnen Zähne, welche, falls die Grenztiefe kleiner als die Zahnhöhe ist, ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß bis zu der Grenztiefe aus Blechen einer Kobalt-Eisen-Legierung gefertigt sind und ab der Grenztiefe aus Stahlblechen gefertigt sind,
welche, falls die Grenztiefe gleich der Zahnhöhe ist, aus Blechen einer Kobalt-Eisen-Legierung gefertigt sind,
wobei die Bleche in axialer Richtung des Radialmagnetlagers gestapelt sind,
- Aufbringen einer Zahnwicklung auf jeden Zahn,
- Herstellen eines inneren Stator-Hohlzylinders, welcher aus in Umfangsrichtung angeordneten und jeweils mit einer Zahnwicklung versehenen Zähnen zusammengesetzt wird, wobei die Zahnfüße nach radial innen weisen,
- Herstellen eines äußeren Stator-Hohlzylinders aus geblech- tem Stahl, wobei die Bleche in axialer Richtung des Radial¬ magnetlagers gestapelt sind,
- Zusammenfügen des inneren Stator-Hohlzylinders und des äu¬ ßeren Stator-Hohlzylinders zum hohlzylinderförmigen Stator des Aktivteils.
Die Erfindung besteht darin, nur jene Teile des Stators aus einem hochpermeablen Material zu fertigen, die im Betrieb tendenziell hohen Flussdichten ausgesetzt sind. Das betrifft beim Aktivteil, insbesondere bei einem Magnetlagerstator, die Magnetpole, d.h. jene Teile der Zähne vom Zahnfuß bis zum tiefsten Punkt der Nut.
Im Betrieb des Aktivteils werden somit zwar Flussdichten erzielt, die geringer sind als bei einem Aktivteil, das kom- plett aus hochpermeablem Material gefertigt ist, jedoch sind höhere Flussdichten als bei konventionellen Blechmaterialien möglich .
Der Vorteil besteht aus der Kombination der beiden Eigen- schaffen, nämlich, dass höhere Flussdichten als bei konventionellen Blechmaterialien erreicht werden können und gleichzeitig Kostenvorteile im Vergleich zu Aktivteilen erzielt werden, welche ausschließlich aus hochpermeablem Material be- stehen. Dies wird dadurch erreicht, dass nur jene Teile des Aktivteils aus teurerem, hochpermeablem Material bestehen, in welchem bei Betrieb des Aktivteils die höchsten magnetischen Flussdichten auftreten.
Im Vergleich zu Aktivteilen mit gewöhnlichen Blechmaterialien ist es damit möglich, ein Aktivteil besonders wirtschaftlich herzustellen, weil die entsprechende elektrische Maschine bei gleichem Bauraum eine höhere Leistung erreichen kann oder bei geringerem Bauraum die gleiche Leistung erreicht. Und auch im Vergleich zu Aktivteilen, welche ausschließlich aus hochpermeablem Material bestehen, ergeben sich Vorteile, weil bei lediglich geringfügigen Einbußen in Bezug auf die magnetischen Eigenschaften bzw. die erreichbaren Leistungen eine be- deutende Kostenreduktion erreicht werden kann. Dies lässt sich auch dadurch begründen, dass das Volumen der Zähne vom jeweiligen Zahnfuß bis zur Zahnhöhe im Vergleich zum restlichen Aktivteil-Volumen vergleichsweise klein ausfallen kann. Dabei ist das Volumen der Zähne vom Zahnfuß bis zur Zahnhöhe für die magnetischen Eigenschaften und die erreichbare Leistung des Aktivteils ganz entscheidend, wohingegen das restli¬ che Aktivteil-Volumen diesbezüglich von untergeordneter Bedeutung ist. Sind die Nuten, in welchen die Wicklungen eingebracht sind, geschlossen, so stellen die Zahnfüße von benachbarten Zähnen einen Verbindungssteg zwischen diesen Zähnen her. Diese Verbindungsstege können positive Auswirkungen auf höhere Harmo¬ nische des Magnetflusses haben, wodurch insgesamt die Verlus- te reduziert werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Grenztiefe halb so groß wie die Zahnhöhe. Eine besonders kostengünstige Variante des Aktivteils kann dadurch realisiert werden, dass die jeweiligen Zähne ausge¬ hend vom Zahnfuß lediglich bis zur Hälfte der Zahnhöhe das erste, hochpermeable Material umfassen. Somit wird das teure- re, hochpermeable Material nur für jene Bereiche des jeweili¬ gen Magnetpols eingesetzt, in welchen die höchsten magneti¬ schen Flussdichten zu erwarten sind. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Material aus einer Kobalt-Eisen-Legierung ausgeführt, wobei das zweite Material aus Stahl ausgeführt ist.
Durch die Ausführung des ersten Materials als eine Kobalt- Eisen-Legierung können im ersten Material große magnetische Flussdichten von bis zu 2 Tesla erreicht werden. Weil die vergleichsweise teure Kobalt-Eisen-Legierung nur dort einge¬ setzt wird, wo große Flussdichten erreicht werden, ist der Einsatz dieses Materials besonders wirtschaftlich. Das zweite Material, welches für die magnetischen Eigenschaften und die erreichbare Leistung des Aktivteils weniger wichtig ist, wird dagegen aus besonders kostengünstig herstellbarem Stahl aus¬ geführt . Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Material und/oder das zweite Material in ge¬ blechter Form ausgeführt und die jeweiligen Bleche sind in Ebenen angeordnet, welche senkrecht zu den Nuten sind. Die Bleche werden dabei derart angeordnet, dass darin die er¬ wünschten Magnetfeldlinien besonders gut geleitet werden und unerwünschte Wirbelströme effektiv verhindert werden können. Üblicherweise sind die Nuten entlang einer bestimmten Richtung angeordnet. Beispielsweise sind die Nuten bei rotatori- sehen elektrischen Maschinen, wie bei Elektromotoren und Radialmagnetlagern mit einem Stator und einem Rotor, in axialer Richtung des Rotors angeordnet. Bei Linearmotoren sind die Nuten hingegen längs der Bewegungsrichtung des Läufers angeordnet. Um Nutrasten zu vermeiden, kann die Richtung der Nu- ten bei rotatorischen Maschinen eine geringfügige Abweichung von der axialen Richtung bzw. bei Linearmotoren von der Richtung quer zur Bewegungsrichtung aufweisen. Die Bleche sowohl des ersten als auch des zweiten Materials sind somit senk¬ recht zu den Nuten angeordnet.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich insbesondere bei besonders groß ausgeführten Aktivteilen. Denn die Bleche aus dem hoch- permeablen ersten Material eines jeweiligen Zahnes, beispielsweise einer Kobalt-Eisen-Legierung, sind auch bei besonders großen Aktivteilen vergleichsweise klein, so dass sie nicht weiter in Segmente unterteilt werden müssen. Obwohl das erste Material oftmals lediglich in kleineren Blechgrößen verfügbar ist als übliche Stahlbleche, reichen die verfügba¬ ren Blechgrößen von gängigen hochpermeablen Materialien, wie zum Beispiel Kobalt-Eisen-Legierungen, dennoch aus, um damit auch vergleichsweise große Aktivteile herzustellen.
Im Gegensatz dazu ist es bei einem großen Aktivteil, das aus¬ schließlich aus Blechen aus einem hochpermeablen Material besteht, unumgänglich, die Bleche in Segmente zu unterteilen, was notwendigerweise zu Fugen zwischen den einzelnen Segmen- ten führt. Dies bringt wiederum Nachteile in Form von höheren Verlusten bei der Führung der Magnetfeldlinien durch die Fugen von einem Segment zum benachbarten Segment mit sich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungen jeweils als Zahnspulen ausgeführt. Dies bedeutet, dass eine Wicklung jeweils nur um einen einzelnen Zahn herum verläuft, so dass dieser Zahn einen magnetischen Pol bildet, sobald die Zahnwicklung bestromt ist. Durch das Vorsehen von Zahnspulen kann die Bauform des Aktivteils noch kompakter gestaltet werden, weil die Nuten jeweils besonders dicht mit Wicklungen gefüllt sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine als Linearmotor oder rotatori- scher Elektromotor ausgeführt. Dabei können die Motoren besonders als Synchronmotoren oder als Asynchronmotoren ausgeführt sein, wobei das Aktivteil den Stator des Motors bildet. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Aktivteil des Radialmagnetlagers als hohlzylinderför- miger Stator ausgeführt, wobei die Zahnfüße bezüglich des Hohlzylinders nach radial innen weisen.
Der Hohlzylinder des Stators wird durch die ringförmig angeordneten Zähne gebildet, deren Zahnfüße jeweils nach radial innen weisen. Dabei sind die Zähne ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß bis zur Grenztiefe aus dem ersten, hochpermeablen Ma- terial gefertigt und der restliche, radial außen liegende
Teil des Stators aus dem zweiten Material mit geringerer Per¬ meabilität gefertigt.
Das Radialmagnetlager dient der Aufnahme von radialen Kräften einer innerhalb des Radialmagnetlagers angeordneten Welle, wobei die Spulen des Radialmagnetlagers üblicherweise durch einen Umrichter mit Strom beaufschlagt werden, wobei der Umrichter wiederum durch eine Steuerung gesteuert wird. Um die Welle im Schweben zu halten und ein Berühren des Radialmag- netlager-Stators zu vermeiden, kann die Steuerung beispiels¬ weise Sensordaten oder bestimmte Komponenten des auf die Spu¬ len beaufschlagten Stroms verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Herstellung von ge- blechten Zähnen und dem geblechten äußeren Stator- Hohlzylinder vor, wobei die Verbindung der Bleche zu einem Blechpaket beispielsweise durch Schweißen oder Verkleben der Bleche erreicht wird oder dadurch, dass die Bleche mit Back¬ lack versehen sind und anschließend die gestapelten Bleche zur Verbindung erhitzt werden.
Der innere Stator-Hohlzylinder und der äußere Stator- Hohlzylinder können beispielsweise dadurch zusammengefügt werden, dass der äußere Stator-Hohlzylinder erhitzt wird und auf den inneren Stator-Hohlzylinder aufgeschrumpft wird.
Dabei ist bei Aktivteilen mit einem besonders großen Durchmesser auch möglich, dass der äußere Stator-Hohlzylinder aus segmentierten Stahlblechen gebildet wird, wobei insbesondere auf die beiden schon verbundenen inneren und äußeren Stator- Hohlzylinder ein metallisches Gehäuse aufgeschrumpft wird. Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur Radialmagnetlager hergestellt werden, sondern auch rotatorische Elektromotoren, die ebenfalls einen hohlzylind¬ rischen Stator aufweisen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
FIG 1 einen Querschnitt eines Radialmagnetlagers gemäß
Stand der Technik,
FIG 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Aktivteils für einen Linearmotor,
FIG 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Aktivteils für einen Linearmotor,
FIG 4 einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktivteils für ein Radialmag¬ netlager, und
FIG 5 einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktivteils für ein Radialmag¬ netlager .
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Radialmagnetlagers ge¬ mäß Stand der Technik. Das Radialmagnetlager weist ein hohl- zylinderförmiges Aktivteil auf, innerhalb dessen konzentrisch zur Achse des Aktivteils eine nicht näher dargestellte Welle angeordnet ist.
Das Aktivteil wird gebildet durch nebeneinander angeordnete Zähne 1, die eine Zahnhöhe 3 aufweisen sowie einen Zahnfuß 2, der nach radial innen weist. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 1 sind axial verlaufende Nuten 4 angeordnet, in welche Wicklungen 8 eingebracht sind. Das Aktivteil weist eine von radial innen nach radial außen gemessene Aktivteildicke 5 auf .
Gemäß Stand der Technik sind die Bleche in axialer Richtung gestapelt und aus einem einzigen Material gefertigt, wobei beispielsweise Stahl oder eine Legierung mit vergleichsweise hoher magnetischer Permeabilität zum Einsatz kommt.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Aktivteils für einen Linearmotor. Das Aktivteil weist Zähne 1 mit Zahnfüßen 2 auf, wobei die Zähne 1 eine Zahnhöhe 3 und das Aktivteil eine Aktivteildicke 5 aufweisen. Zwischen benachbarten Zähnen 1 sind offene Nuten 4 angeordnet, in welche Wicklungen 8 eingebracht sind. Dabei können für die ein- zelnen Zähne 1 jeweils Zahnspulen vorgesehen werden, so dass jeder einzelne Zahn 1 bei Bestromung der jeweiligen Spulen einen magnetischen Pol bildet.
Ausgehend von den Zahnfüßen 2 bis zu einer Grenztiefe 9, wel- che im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels gleich der Zahnhöhe 3 ist, sind die Zähne 1 des Aktivteils aus einem ersten Mate¬ rial mit höherer magnetischer Permeabilität gefertigt. Der restliche Bereich des Aktivteils ist hingegen aus einem zwei¬ ten Material mit geringerer magnetischer Permeabilität gefer- tigt. Beispielsweise kann das erste Material als eine ge¬ blechte Kobalt-Eisen-Legierung und das zweite Material als Stahlblech ausgeführt sein, wobei die jeweiligen Bleche senkrecht zur Richtung der Nuten 4 gestapelt sind. Wenn das Aktivteil als Stator eines Linearmotors ausgeführt ist, ist der Läufer des Linearmotors auf der Seite der Zahn¬ füße 2 senkrecht zu den Nuten 4 und entlang den benachbarten Zähnen 1 bewegbar, das heißt in der Darstellung von Figur 2 von rechts nach links oder umgekehrt.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Aktivteils für einen Linearmotor. Gleiche Bezugszei¬ chen wie in Figur 2 bezeichnen hierbei gleiche Gegenstände. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 4 im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels als geschlossene Nuten 4 ausgeführt. Weiterhin ist die Grenztiefe 9 nunmehr gleich der halben Zahnhöhe 3, so dass die Zähne 1 von ihrem jeweiligen Zahnfuß 2 bis zur Grenztiefe 9 aus dem ersten Ma¬ terial gefertigt sind und der restliche Bereich der jeweili¬ gen Zähne 1 aus dem zweiten Material gefertigt ist.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbei- spiels des erfindungsgemäßen Aktivteils für ein Radialmagnet¬ lager. Gezeigt ist ein Viertel eines Querschnitts durch das hohlzylinderförmige Aktivteil. Der Ausschnitt zeigt drei Zäh¬ ne 1, welche jeweils einen nach innen gerichteten Zahnfuß 2 sowie eine Zahnhöhe 3 aufweisen. Zwischen benachbarten Zähnen 1 sind annähernd keilförmige Nuten 4 angeordnet, in welche
Wicklungen 8 eingebracht sind. Die Wicklungen 8 können dabei beispielsweise als Zahnspulen ausgeführt sein.
Das Aktivteil ist von radial innen, beginnend bei den jewei- ligen Zahnfüßen 2, nach radial außen bis zu einer Grenztiefe 9, welche in diesem Fall gleich der Zahnhöhe 3 ist, aus einem ersten Material mit einer höheren magnetischen Permeabilität gefertigt. Ausgehend von der Grenztiefe 9 bis zum radial äu¬ ßeren Rand des Aktivteils ist das Aktivteil aus einem zweiten Material mit einer geringeren magnetischen Permeabilität.
Beispielsweise kann das erste Material als eine geblechte Ko¬ balt-Eisen-Legierung und das zweite Material als Stahlblech ausgeführt sein, wobei die jeweiligen Bleche senkrecht zur Achse des Hohlzylinders gestapelt sind.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbei¬ spiels des erfindungsgemäßen Aktivteils für ein Radialmagnet¬ lager. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 4 bezeichnen gleiche Gegenstände, wobei wiederum ein Viertel eines Quer- Schnitts durch das hohlzylinderförmige Aktivteil dargestellt ist . Die einzelnen Zähne 1 sind bis zu einer Grenztiefe 9 aus ei¬ nem ersten Material gefertigt, wobei die Grenztiefe 9 im Un¬ terschied zum dritten Ausführungsbeispiel gleich der halben Zahnhöhe 3 ist. Weiterhin sind die Nuten 4 nunmehr geschlos- sen ausgeführt, was aufgrund positiver Auswirkungen auf höhe¬ re Harmonische des Magnetflusses insgesamt Verluste sparen kann. Das erste Material kann wiederum als eine geblechte Ko¬ balt-Eisen-Legierung und das zweite Material als Stahlblech ausgeführt sein, wobei die jeweiligen Bleche senkrecht zur Achse des Hohlzylinders gestapelt sind.
Ein Radialmagnetlager, dessen Aktivteil im dritten bzw. vierten Ausführungsbeispiel illustriert wurde, kann beispielswei¬ se derart hergestellt werden, dass das Aktivteil als hohlzy- lindrischer Stator ausgeführt wird, welches sich aus einem inneren Stator-Hohlzylinder und einem äußeren Stator- Hohlzylinder zusammensetzt. Der innere Stator-Hohlzylinder ist dabei der Bereich von den Zahnfüßen 2 nach radial außen bis zur Grenztiefe 9 und der äußere Stator-Hohlzylinder ist der Bereich von der Grenztiefe 9 bis zum radial äußeren Rand des Aktivteils.
Das jeweilige Aktivteil des dritten und des vierten Ausfüh¬ rungsbeispiels für ein Radialmagnetlager kann ohne große An- passungen ebenfalls für einen rotatorischen Elektromotor verwendet werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Aktivteil einer elektrischen Maschine mit Zähnen, welche jeweils einen Zahn- fuß und eine Zahnhöhe aufweisen, zwischen den Zähnen angeord¬ nete, offene oder geschlossene Nuten, und in den Nuten einge¬ brachten Wicklungen, welche jeweils zumindest einen der Zähne umschließen, wobei das Aktivteil ab der äußeren Oberfläche der jeweiligen Zahnfüße und in Verlängerung der Zähne eine Aktivteildicke aufweist, die größer als die Zahnhöhe ist. Au¬ ßerdem betrifft die Erfindung eine derartige elektrische Ma¬ schine, ein Radialmagnetlager mit einem derartigen Aktivteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Radial- magnetlagers . Um ein Aktivteil bereitzustellen, welches ver¬ gleichsweise gute magnetische Eigenschaften besitzt und dabei kostengünstig herzustellen ist, wird vorgeschlagen, dass das Aktivteil ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß bis zu einer
Grenztiefe, welche höchstens gleich der Zahnhöhe ist, ein erstes Material mit einer ersten magnetischen Permeabilität umfasst und ab der Grenztiefe ein zweites Material mit einer zweiten magnetischen Permeabilität umfasst, wobei die erste magnetische Permeabilität größer als die zweite magnetische Permeabilität ist.

Claims

Patentansprüche
1. Aktivteil einer elektrischen Maschine mit
- Zähnen (1), welche jeweils einen Zahnfuß (2) und eine Zahn- höhe (3) aufweisen,
- zwischen den Zähnen (1) angeordnete, offene oder geschlos¬ sene Nuten (4), und
- in den Nuten (4) eingebrachten Wicklungen (8), welche jeweils zumindest einen der Zähne (1) umschließen,
wobei das Aktivteil ab der äußeren Oberfläche der jeweiligen Zahnfüße (2) und in Verlängerung der Zähne (1) eine Aktivteildicke (5) aufweist, die größer als die Zahnhöhe (3) ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ak¬ tivteil
- ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß (2) bis zu einer Grenztie¬ fe (9), welche höchstens gleich der Zahnhöhe (3) ist, ein erstes Material mit einer ersten magnetischen Permeabilität umfasst und
- ab der Grenztiefe (9) ein zweites Material mit einer zwei- ten magnetischen Permeabilität umfasst,
wobei die erste magnetische Permeabilität größer als die zweite magnetische Permeabilität ist.
2. Aktivteil nach Anspruch 1,
wobei die Grenztiefe (9) halb so groß wie die Zahnhöhe (3) ist .
3. Aktivteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material aus einer Kobalt-Eisen-Legierung ausgeführt ist,
wobei das zweite Material aus Stahl ausgeführt ist.
4. Aktivteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material und/oder das zweite Material in ge- biechter Form ausgeführt ist, und
wobei die jeweiligen Bleche in Ebenen angeordnet sind, welche senkrecht zu den Nuten (4) sind.
5. Aktivteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Wicklungen (8) jeweils als Zahnspulen ausgeführt sind .
6. Elektrischen Maschine mit einem Aktivteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Maschine als Linearmotor oder rotatori¬ scher Elektromotor ausgeführt ist.
7. Radialmagnetlager mit einem Aktivteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei das Aktivteil als hohlzylinderförmiger Stator ausge¬ führt ist,
wobei die Zahnfüße (2) bezüglich des Hohlzylinders nach radi- al innen weisen.
8. Verfahren zur Herstellung eines Radialmagnetlagers nach Anspruch 7 mit einem Aktivteil nach den Ansprüchen 3 bis 5 mit den folgenden Verfahrensschritten:
- Herstellen der einzelnen Zähne (1),
welche, falls die Grenztiefe (9) kleiner als die Zahnhöhe (3) ist, ausgehend vom jeweiligen Zahnfuß (2) bis zu der Grenz¬ tiefe (9) aus Blechen einer Kobalt-Eisen-Legierung gefertigt sind und ab der Grenztiefe (9) aus Stahlblechen gefertigt sind,
welche, falls die Grenztiefe (9) gleich der Zahnhöhe (3) ist, aus Blechen einer Kobalt-Eisen-Legierung gefertigt sind, wobei die Bleche in axialer Richtung des Radialmagnetlagers gestapelt sind,
- Aufbringen einer Zahnwicklung auf jeden Zahn (1),
- Herstellen eines inneren Stator-Hohlzylinders, welcher aus in Umfangsrichtung angeordneten und jeweils mit einer Zahnwicklung versehenen Zähnen (1) zusammengesetzt wird, wobei die Zahnfüße (2) nach radial innen weisen,
- Herstellen eines äußeren Stator-Hohlzylinders aus geblech¬ tem Stahl, wobei die Bleche in axialer Richtung des Radialmagnetlagers gestapelt sind, - Zusammenfügen des inneren Stator-Hohlzylinders und des äußeren Stator-Hohlzylinders zum hohlzylinderförmigen Stator des Aktivteils.
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