SE516461C2 - Permanentmagnetrotor samt förfarande för tillverkning av en sådan - Google Patents

Description

20 25 30 35 . . . . .o 516 461 2 dana högeffektiva permanentmagneter är dock dyra i pris, varför det blir mycket kostnadskrävande att tillverka en rotor med yt- monterade permanentmagneter av stor dimension.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en per- manentmagnetrotor, vilken kan tillverkas till en förhållandevis låg kostnad även vid stor rotordimension.

Enligt uppfinningen uppnås detta syfte genom att ett flertal en- skilda och intill varandra anordnade permanentmagneter är an- bringade i för mottagande av permanentmagneter avsedda ut- rymmen mellan i rotorn anordnade flödeskoncentrerande organ.

Härigenom kan en permanentmagnetenhet av stor volym erhållas i respektive utrymme samtidigt som rotorn kan tillverkas med för- hållandevis billiga permanentmagneter utan att avkall behöver göras beträffande rotorns effektivitet. Enskilda permanentmag- neter kan av tillverkningstekniska orsaker inte göras hur stora som helst, men med arrangemanget enligt uppfinningen kommer inte längre dessa dimensionsbegränsningar avseende perma- nentmagneterna att vara begränsande för rotorns dimension.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen har respek- tive utrymme formen av ett rätblock, varvid även de enskilda permanentmagneterna har formen av rätblock. Härigenom kan utrymmena på ett enkelt och ändamålsenligt sätt utfyllas med permanentmagneter.

Uppfinningen avser även en generator innefattande en perma- nentmagnetrotor av aktuellt slag.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att anvisa ett förfarande vilket möjliggör en enkel och rationell tillverkning av en perma- nentmagnetrotor med stora permanentmagnetvolymer. 10 15 20 25 30 35 516 461 3 Enligt uppfinningen uppnås detta syfte med hjälp av förfarandet enligt patentkravet 9. Genom att permanentmagneterna införs i nämnda utrymmen i form av block bestående av ett flertal en- skilda och intill varandra anordnade permanentmagneter kan en permanentmagnetenhet av mycket stort format och med kraftigt magnetisk flöde på ett enkelt och rationellt sätt byggas upp i respektive utrymme.

Uttrycken "radiell", "radialriktning" och "radiell riktning" är här relaterade till rotorns centrumaxel och avser således en riktning vinkelrätt mot nämnda centrumaxel. På motsvarande sätt avser uttrycken "axiell", "axia|riktning" och "axiel| riktning" en riktning parallell med rotorns centrumaxel.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel, med hänvisning till bifogade ritning.

Det visas i: Fig 1 en schematisk tvärsnittsvy av en del av en rotor enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, Fig 2 en schematisk skuren sidovy av ett ok med ett för infö- ring i en rotor avsett permanentmagnetblock.

Fig 3 en frontvy av en rotor enligt uppfinningen, och Fig 4 en schematisk tvärsnittsvy av en permanentmagneten- het avsedd att ingå i en rotor enligt en alternativ utfö- ringsform av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER I Fig 1 visas ytterst schematiskt en del av en rotor enligt en möj- lig utföringsform av uppfinningen. Rotorn 1 innefattar ett antal 10 15 20 25 30 35 5169461 4 flödeskoncentrerande organ i form av mjukmagnetiska poler 2.

Dessa poler 2 är anordnade på avstånd från varandra och är jämnt fördelade kring rotorns nav, ej visat i Fig 1, i olika lägen sett i navets perifeririktning, d v s i rotorns avsedda rotations- riktning, så att likformiga mellanrum erhålls mellan två varandra angränsande poler 2, 2' runt hela rotorn 1. l de utrymmen 3 som bildas mellan två varandra angränsande poler 2, 2' är perma- nentmagneter avsedda att mottagas. I Fig 1 visas endast en pol 2 i sin helhet och två denna pol angränsande poler 2' visas till hälften. Samtliga kring rotorns nav anordnade poler 2, 2' är av- sedda att vara likformiga, och den i Fig 1 delvis visade rotorn 1 innefattar således ett antal poler som alla har samma form som den i sin helhet visade polen 2.

Polerna 2 har väsentligen konstant tjocklek sett i rotorns axial- riktning och har här, sett i ett radiellt tvärsnitt genom rotorn, hu- vudsakligen formen av en stympad kon. Den i radiell riktning sett inre änden 4 hos respektive pol 2 är via klossar av icke-magne- tiskt material, exempelvis aluminium, på konventionellt sätt fästa vid en ej visad rotorring. Den i radiell riktning sett yttre ytan 5 hos respektive pol 2 har en konvex form sett i ett radiellt tvär- snitt. Vid respektive ände 6, 7 hos ytterytan 5, sett i rotations- riktningen, ansluter en sidoyta 8, vilken vid en radiellt sett yttre ände uppvisar ett väsentligen radiellt riktat parti 9. Det radiellt riktade yttre partiet 9 övergår i ett mittre parti 10, vilket i sin tur övergår i ett inre parti 11 som sträcker sig väsentligen vinkelrätt mot det mittre partiet 10 in mot navet. De inre sidoytpartierna 11, 11' hos två varandra angränsande poler 2, 2' är väsentligen pa- rallella med varandra. De mittre och inre sidoytpartierna 10, 11 respektive 10', 11' hos två varandra angränsande poler 2, 2' ut- gör avgränsningsytor hos ett utrymme 3 för mottagande av permanentmagneter 15. Polerna är härvid anordnade på ett så- dant sätt att det föreligger ett mellanrum 13 mellan de väsentli- gen radiellt riktade och mot varandra vända yttre sidoytpartierna 9 hos två varandra angränsande poler 2, 2'. Permanentmagne- tutrymmena 3 avgränsas i radiell riktning inåt av en vägg 14, vil- ken vägg exempelvis kan utgöras av en övre plan yta hos en 10 15 20 25 30 35 516 461 5 aluminiumkloss. Denna vägg 14 sträcker sig vinkelrätt mot de inre sidoytpartierna 11, 11' hos två varandra angränsande poler 2, 2'. Således definierar väggen 14 tillsammans med nämnda inre och mittre sidoytpartier 11, 11', 10, 10' ett utrymme 3 med en vä- sentligen rektangulär tvärsnittsform. Väggen 14 och sidoytparti- erna 11, 11', 10, 10' har vidare en viss utsträckning vinkelrätt mot det i Fig 1 visade tvärsnittsplanet så att nämnda utrymme 3 väsentligen får formen av ett rätblock. ~ I Fig 1 visas två av rotorns permanentmagnetutrymmen 3, varvid det ena är utfyllt med permanentmagneter 15 medan det andra i illustrerande syfte endast visas med en införd permanentmagnet 15. Samtliga permanentmagneter 15 är i detta fall likformiga och uppvisar rätblocksform. l det visade exemplet innefattar den i ett utrymme 3 anordnade permanentmagnetenheten 16, sett i ett ra- diellt tvärsnitt genom rotorn, två intill varandra anordnade staplar 12 av enskilda permanentmagneter 15, varvid varje stapel inne- fattar fyra på varandra staplade permanentmagneter 15. Perma- nentmagnetenheten 16 kan även innefatta flera staplar anord- nade bredvid varandra sett i axiell riktning, dvs permanentmag- netenheten har i sådant fall flera i rad anordnade enskilda per- manentmagneter 15 sett i axiell riktning. De i radiell riktning sett innerst liggande permanentmagneterna 15 vilar mot väggen 14, medan de i radiell riktning sett ytterst liggande permanentmag- neterna 15 med ändpartier 17 hos sina utåt riktade ytor 18 vilar mot anslag bildade av de väsentligen vinkelrätt mot radialrikt- ningen sig sträckande mittre sidokantpartiet 10, 10' hos de poler 2, 2' mellan vilka permanentmagnetenheten 16 är anordnad. Ett föredraget förfarande för montering av en permanentmag- netenhet 16 av ifrågavarande slag kommer att beskrivas nedan. lnföringen av permanentmagneterna sker företrädesvis genom att ett antal enskilda permanentmagneter 15 sammanfogade i ett block 19 införs i avsett utrymme 3 i en riktning väsentligen pa- rallell med rotorns centrumaxel. Vid denna införing är perma- nentmagnetblocket 19, såsom schematiskt visas i Fig 2, an- bringat i ett ok 20 av magnetiskt material, exempelvis järn, vilket 10 15 20 25 30 35 516 461 6 sluter den magnetiska kretsen. Blocket 19 förskjuts sedan ut ur oket 20 och in i nämnda utrymme 3. Vid denna förskjutning tillses att en sluten magnetisk krets hela tiden upprätthålls, varigenom endast skjuvkrafter behöver övervinnas för förskjutning av blocket 19. Under denna procedur bör det upprätthållas ett visst avstånd mellan oket och polerna för att undvika magnetisk kort- slutning, vilken kortslutning annars kan resultera i att oket fast- nar mellan polerna. Detta avstånd, som bör vara åtminstone ca 1 cm, kan åstadkommas med hjälp av ett mellanlägg av icke-mag- netiskt material som anordnas mellan polernas radiellt sig sträckande sidoytor och oket. Efter att ett block 19 bringats på plats upprepas proceduren och ett nytt block 19 bringas på plats intill det tidigare. Detta fortgår tills en permanentmagnetenhet 16 av önskad storlek erhållits i utrymmet 3. På motsvarande sätt monteras permanentmagneter 15 i samtliga utrymmen 3. För att upprätthålla en viss jämvikt i konstruktionen vid monteringen av permanentmagnetblocken 19 är det lämpligt att införa blocken 19 successivt i de olika utrymmena 3, dvs på sådant sätt att ett block 19 införs i vart och ett av utrymmena 3 innan ett andra block 19 införs i något av utrymmena 3, osv. Ur denna aspekt är det även lämpligt att blocken 19 dessutom införs successivt i två mittemot varandra belägna utrymmen 3. Efter det att permanent- magneterna 15 monterats i utrymmena 3 tillslutes lämpligen ut- rymmena 3 vid sina axiella ändar med hjälp av lämpliga organ, företrädesvis i form av plattor eller skivor såsom närmare be- skrivs nedan i anslutning till Fig 3. I Fig 1 visas hur ett lock 25 är anordnat att täcka de i radiell riktning ytterst liggande perma- nentmagneterna. Detta lock, vilket är tillverkat av icke-magnetiskt material, exempelvis glasfiberarmerad plast eller aluminium, fästes exempelvis med hjälp av adhesivt medel och bidrar till att hålla permanentmagneterna 15 på plats i radiell riktning inuti ut- rymmet 3.

I Fig 3 visas en utföringsform av en rotor enligt uppfinningen där permanentmagnetutrymmena 3 efter monteringen av permanent- magneterna 15 tillslutits med hjälp av fasthållningsorgan 20 i form av plattor. I utföringsformen enligt Fig 3 är respektive fast- 10 15 20 25 30 35 sis 461 7 hållningsorgan 20 anordnat att fullständigt täcka ett bakomlig- gande permanentmagnetutrymme 3, varför de i respektive ut- rymme 3 anordnade permanentmagneterna 15 ej framträder i fi- guren. Vid beskrivning av denna utföringsform kommer detaljer som har sin motsvarighet i Fig 1 att betecknas med motsvarande hänvisningsbeteckningar. Fasthållningsorganen 20 är i det vi- sade exemplet anordnade att förbinda två varandra angränsande poler 2, 2' vid polernas radiellt riktade sidoytor och är anordnade vid bägge ändar av respektive utrymme 3 sett i axiell riktning.

Fasthållningsorganen 20 bildar således axiella avgränsningar för utrymmena 3. Dessa fasthållningsorgan 20 kan även vara fästa vid rotorringen 21 och bidra till att fixera polerna 2, 2' i sina avsedda lägen och till att ge rotorn 1 erforderlig stadga.

Fasthållningsorganen 20 fästes lämpligen vid polerna 2, 2' och rotorringen 21 med hjälp av skruvförband. Således kommer re- spektive utrymme 3 att vara tillslutet i bägge sina axiella ändar, varigenom permanentmagneterna 15 hålls på plats i axiell rikt- ning i respektive utrymme 3.

Den i Fig 3 visade rotorn 1 har företrädesvis en diameter på 2-8 meter och är avsedda att ingå i en generator för exempelvis ett vindkraftverk. Rotorn 1 uppvisar ett rotornav 22, vilket via ett vid var ände av navet 22 anordnat distansorgan 23, exempelvis i form av en ringformad plåt, uppbär rotorringen 21. Flödeskon- centrerande organ i form av mjukmagnetiska poler 2, 2' är via mellanliggande klossar 24 fästa vid rotorringen 21. Klossarna 24 består av aluminium eller annat väsentligen icke-magnetiskt ma- terial och är placerade mellan rotorringen 21 och respektive pol 2, 2' för att förhindra läckflöden från polerna 2, 2' till rotorringen 21. Polerna 2, 2' är i enlighet med vad som beskrivits i anslutning till Fig 1 anordnade på avstånd från varandra och är jämnt för- delade kring rotorringen 21 i olika lägen sett i rotorns rotations- riktning så att likformiga permanentmagnetutrymmen 3, här ej vi- sade, erhålls mellan två varandra angränsande poler 2, 2' runt hela rotorn. Varje utrymme 3 innefattar en permanentmagneten- het bestående av ett flertal intill varandra anordnade perma- nentmagneter 15. 10 15 20 25 30 35 ø c v v vv o 5161461 8 De permanentmagneter 15 som tillsammans bygger upp en per- manentmagnetenhet 16 hos en rotor av den uppfinningsenliga typen är såsom tidigare nämnts lämpligen likformade och bör ha en form som är så anpassad till permanentmagnetutrymmet 3 att det är möjligt att bilda en permanentmagnetenhet 16 som fyller ut väsentligen hela utrymmet 3. De ovan beskrivna rätblocksfor- made utrymmen 3 lämpar sig väl för mottagande av rätblocksfor- made permanentmagneter 15, vilka enkelt kan sammanfogas till permanentmagnetenheter 16 av lämplig storlek. Även andra for- mer hos utrymmena och permanentmagneterna är dock tänkbara.

I Fig 4 visas schematiskt i tvärsnitt en permanentmagnetenhet 16a med triangulärt tvärsnitt uppbyggd av permanentmagneter 15a med triangulärt tvärsnitt. Permanentmagneterna 15a har en utsträckning vinkelrätt mot det i Fig 4 visade tvärsnittsplanet och har således formen av ett rakt prisma. Denna permanentmagne- tenhet 16a är avsedd att monteras i ett permanentmagnetut- rymme som väsentligen har formen av ett rakt prisma.

Antalet poler 2 och permanentmagnetenheter 16 kan vara såväl mindre som större än det visade och anpassas bland annat efter rotorns dimension. En rotor för en direktdriven vindkraftgenerator med en diameter av åtminstone 4 m är lämpligen försedd med åtminstone trettio och företrädesvis cirka sextio poler 2 respek- tive permanentmagnetenheter 16. Antalet och formen hos en- skilda permanentmagneter 15 i varje permanentmagnetenhet 16 väljs bland annat beroende av rotorns dimension och formen hos permanentmagnetutrymmena 3.

Naturligtvis ska de i en permanentmagnetenhet 16, 16a ingående permanentmagneterna 15, 15a vara i magnetisk kontakt med varandra vid sina inbördes anliggningsytor.

Med konstruktionen enligt uppfinningen möjliggörs tillverkning av permanentmagnetrotorer av mycket stora format. Permanent- magnetrotorn enligt uppfinningen är företrädesvis avsedd att ingå i en generator hos en vindkraftanläggning och uppvisar i sådant 10 15 20 25 516 461 9 fall en diameter av företrädesvis åtminstone 2 meter. En gene- rator hos en vindkraftanläggning kan vara direktdriven, varvid generatorn ligger på samma axel som turbinen och rotorn drivs direkt av turbinen utan mellanliggande växelanordning. Detta in- nebär en långsam rotation hos rotorn, varför en sålunda anord- nad permanentmagnetrotor för att fungera tillfredsställande måste vara av mycket stor dimension och innefatta många poler.

En permanentmagnetrotor enligt uppfinningen ingående i en så- dan direktdriven generator uppvisar företrädesvis en diameter av åtminstone 4 meter, särskilt föredraget åtminstone 6 meter. En permanentmagnetrotor enligt uppfinningen är genom att den kan tillverkas med stor diameter lämpad för användning i en genera- tor avsedd för spänning överstigande 10 kV, företrädesvis 16-30 kV, och vars effekt lämpligen är större än 1 MW, företrädesvis mellan 1,5 och 6 MW. En sådan generator är företrädesvis för- sedd med en stator uppvisande statorlindningar utformade i en- lighet med vad som visas i WO 99/29025 A1, där lindningen in- nesluter det magnetiska fältet. Rotorns vikt kan härvid vara mel- lan 10 och 100 ton.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området, utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patent- krav. Det är exempelvis möjligt att kombinera permanentmagne- ter uppvisande två eller flera olika former för erhållande av en permanentmagnetenhet av lämpligt format.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 30 35 516 461 10 PATENTKRAV .

2. Permanentmagnetrotor innefattande flödeskoncentrerande or- gan (2, 2') belägna på avstånd från varandra sett i rotorns rotationsriktning, samt utrymmen (3) för mottagande av per- manentmagneter, vilka utrymmen (3) vart och ett är beläget mellan två varandra angränsande flödeskoncentrerande organ (2, 2'), kännetecknad därav, att ett flertal enskilda och intill varandra anordnade permanentmagneter (15, 15a) är an- bringade i vart och ett av nämnda utrymmen (3), varvid varje utrymme (3) innefattar permanentmagneter (15, 15a) staplade på varandra sett i rotorns radialriktning. .

3. Permanentmagnetrotor enligt krav 1, kännetecknad därav, att permanentmagneterna (15, 15a) är likformiga. .

4. Permanentmagnetrotor enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att utrymmena (3) och permanentmagneterna (15, 15a) har former som är så avpassade till varandra att respektive utrymme (3) till väsentligen hela sin volym är utfyllbart med permanentmagneter (15, 15a). .

5. Permanentmagnetrotor enligt något av föregående krav, kän- netecknad därav, att respektive utrymme (3) har formen av ett rätblock, samt att även de enskilda permanentmagneterna (15) har formen av rätblock. .

6. Permanentmagnetrotor enligt krav 1, kännetecknad därav, att respektive utrymme (3) har formen av ett rakt prisma, samt att även de enskilda permanentmagneterna (15a) har formen av raka prisman. .

7. Permanentmagnetrotor enligt något av föregående krav, av- sedd att ingå i en generator för en vindkraftanläggning, varvid rotorn uppvisar en diameter av åtminstone 2 meter. 10 15 20 25 516 461 11 Permanentmagnetrotor enligt något av kraven 1-5, avsedd att ingå i en direktdriven generator för en vindkraftanläggning, varvid rotorn uppvisar en diameter av åtminstone 4 meter.

8. Generator avsedd för spänning överstigande 10 kV, känne- tecknad därav, att den innefattar en permanentmagnetrotor enligt något av föregående krav.

9. Förfarande för tillverkning av en permanentmagnetrotor inne-

10.

11. fattande flödeskoncentrerande organ (2, 2') belägna på av- stånd från varandra sett i rotorns rotationsriktning, samt ut- rymmen (3) för mottagande av permanentmagneter, vilka ut- rymmen (3) vart och ett är beläget mellan två varandra an- gränsande flödeskoncentrerande organ (2, 2'), kännetecknat därav, att ett flertal enskilda permanentmagneter (15, 15a) anbringas intill varandra i vart och ett av nämnda utrymmen (3), varvid varje utrymme (3) bringas att innefatta perma- nentmagneter (15, 15a) staplade på varandra sett i rotorns radialriktningenligt. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat därav, att perma- nentmagneterna (15) införs i respektive utrymme (3) i form av block (19) bestående av ett flertal enskilda och intill varandra anordnade permanentmagneter (15). Förfarande enligt krav 10, kännetecknat därav, att ett flertal permanentmagnetblock (19) införs i respektive utrymme (3).