DE3715242A1

DE3715242A1 - Magnetkeil

Info

Publication number: DE3715242A1
Application number: DE19873715242
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Watanabe; Miyoshi Takahashi; Masaki Sato; Motoya Ito; Keiji Arai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3715242C2; JPS62262626A; AU584508B2; JPH0446063B2; AU7263287A; MX169455B; US4761581A

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkeil zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine; insbesondere betrifft die Erfindung einen Magnetkeil mit einem magnetischen Element, das in ein Kunststoffteil eingeformt ist.

Es ist bekannt, daß eine Wicklung einer rotierenden elektrischen Maschine in einem Kernschlitz aufgenommen wird, und zu diesem Zweck ist der Keil in der Öffnung des Kernschlitzes vorgesehen.

Dieser Keil besteht im allgemeinen aus einem nichtmagnetischen Material mit einer kleinen Permeabilität, aber in einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem kleinen Luftspalt zwischen einem Ständer und einem Läufer, z. B. einem Induktionsmotor, wird ein Keil mit einer gewissen magnetischen Eigenschaft verwendet, um eine gewisse Welligkeit der Magnetflußverteilung in dem Luftspalt zu halten, und zwar aufgrund der Anwesenheit des Kernschlitzes und der Kernverluste oder der Zunahme eines erregten Stromes aufgrund der Konzentration des Magnetflusses auf die Kernzahnbereiche.

Ein solcher Keil wird im allgemeinen als Magnetkeil bezeichnet. Um eine gleichmäßige Magnetflußverteilung in dem Luftspalt zwischen einem Ständer und einem Läufer und den Kernzahnbereichen zu erhalten, ist es erwünscht, den magnetischen Widerstand für den Magnetfluß, der durch den Kernzahnbereich zur Luftspaltseite über den Keil verläuft, möglichst klein zu machen. Andererseits ist es erwünscht, den magnetischen Widerstand für den "Magnetleckfluß" möglichst hoch zu machen, der von einem Zahnbereich zum anderen Zahnbereich über den Keil verläuft, und zwar aufgrund der Differenz der magnetischen Potentiale an den Kernzahnbereichen an beiden Enden des Kernschlitzes. Mit anderen Worten, ein Magnetkeil, der nur eine starke magnetische Eigenschaft besitzt. d. h. eine hohe Permeabilität, ist unzureichend, und es ist erwünscht, eine magnetische Anisotropie zu haben, die den Magnetfluß nur in einer bestimmten Richtung hindurchläßt.

Bekannte Beispiele von Magnetkeilen mit derartigem Aufbau, die eine magnetische Anisotropie haben, haben folgende Eigenschaften.

Bei einem Beispiel sind magnetische Elemente nur in der Nachbarschaft der Zahnbereiche von beiden Seiten eines Kernschlitzes in seiner Breitenrichtung angeordnet, und diese magnetischen Elemente sind mit Verbindungsmitteln aus nichtmagnetischem Material oder Kunststoffmaterial, wie z. B. Harz, vereinigt.Ein Magnetkeil mit einem solchen Aufbau ist beispielsweise in den Veröffentlichungen von japanischen Gebrauchsmustern mit den Nummern 11 452/1930 und 5 659/1939 angegeben.

Bei einem anderen Beispiel sind flache magnetische Teilchen, deren Richtung ihrer flachen Ebene mit der der Dicke des Keiles ausgefluchtet sind, in Harz oder dergleichen eingeformt. Eine derartige Konstruktion ergibt sich beispielsweise aus der JP-A-52-6 906 (1977).

Obwohl es erwünscht ist, daß der in einer elektrischen rotierenden Maschine verwendete Magnetkeil unter dem Gesichtspunkt der magnetischen Eigenschaft eine magnetische Anisotropie der oben beschriebenen Art hat, muß er, unter Berücksichtigung der tatsächlichen Benutzung, eine ausreichende mechanische Festigkeit haben, um als Wicklungsträger zu dienen, was eine wesentliche Funktion des Keiles darstellt, und er muß leicht herzustellen sein.

Die oben erwähnten herkömmlichen Keile sind jedoch nicht ausreichend in ihrer mechanischen Festigkeit und nicht leicht herstellbar. Da aber die elektromagnetische Kraft aufgrund der Entwicklung von elektrischen rotierenden Maschinen großer Kapazität in den letzten Jahren groß ist, ist es erwünscht, daß ihre mechanische Festigkeit weiter verbessert wird.

Genauer gesagt, bei dem Beispiel, bei dem die magnetischen Elemente nur in der Nähe der Kernzahnbereiche an beiden Enden des Keiles in seiner Breitenrichtung angeordnet sind und diese magnetischen Elemente vereinigt sind, indem man sie unter Verwendung von nicht-magnetischen Materialien verbindet oder sie unter Verwendung von Kunststoffmaterial einformt, ist es schwierig, die mechanische Festigkeit im Verbindungsbereich zwischen den magnetischen Elementen und den nicht-magnetischen Materialien zu gewährleisten, und der resultierende Aufbau der Anordnung wird zunehmend kompliziert.

Bei dem Beispiel, wo die Längsrichtung der flachen Oberflächen der flachen magnetischen Teilchen oder der Magnetlinien mit der der Dicke des Keiles ausgefluchtet ist, ist es schwierig, die magnetischen Teilchen oder Magnetstreifen in Längsrichtung des Keiles gleichmäßig auszurichten, und es ist auch schwierig, die mechanische Festigkeit in ausreichendem Maße zur Abstützung der Wicklung zu gewährleisten, da die Festigkeit gegenüber der Scherkraft, die wichtig ist, um die Wicklung stabiler in dem Schlitz zu fixieren, notwendigerweise von der Festigkeit des Kunststoffteiles, wie z. B. Kunstharz, abhängt.

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Nachteile von herkömmlichen Anordnungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkeil zur Verwendung in einer rotierenden elektrischen Maschine anzugeben, der eine gewünschte Anisotropie besitzt sowie eine große mechanische Festigkeit aufweist.

Zur Erreichung dieses Zieles wird gemäß der Erfindung ein Magnetkeil angegeben, bei dem ein Satz von Magnetstreifenschichten mit einem Kunststoffmaterial eingeformt sind, wobei die Magnetstreifenschichten in der Breitenrichtung des Keiles unter einem vorgegebenen Neigungswinkel für die Dickenrichtung angeordnet sind, wobei die Neigungswinkel der benachbarten Magnetstreifen in der Längsrichtung des Keiles abwechselnd verschieden sind.

Bei einem derart ausgebildeten Magnetkeil sind die Magnetstreifen von der Dickenrichtung her so geneigt, daß der wirksame Fluß, der von der Bereitenrichtung in Kontakt steht, zu der Luftspaltseite in Längsrichtung der Magnetstreifen verläuft, und der magnetische Widerstand in dieser Richtung ist klein, so daß die gewünschte magnetische Eigenschaft des Keiles zur Verfügung steht; andererseits erstrecken sich die Magnetstreifen nicht in der Breitenrichtung des Keiles, so daß der Magnetleckfluß, der den Keil in seiner Breitenrichtung (von einem Zahnbereich zu einem benachbarten Kernzahnbereich) durchsetzt, zwischen den Magnetstreifen verläuft, die so angeordnet sind, daß sie nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, und somit ist der magnetische Widerstand in dieser Richtung groß, so daß der Magnetleckfluß reduziert wird. Somit hat der Magnetkeil gemäß der Erfindung eine gewünschte magnetische Anisotropie.

Weiterhin besteht der Magnetkeil gemäß der Erfindung aus einer Gruppe von Magnetstreifen, die abwechselnd geneigt sind, so daß diese Magnetstreifengruppe als Matrixkernelement dient, so daß die mechanische Festigkeit gegenüber Scherbeanspruchungen verbessert wird, die in der Dickenrichtung des Keiles anliegen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung, teilweise mit Wegbrechungen, eines Magnetkeiles gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Hauptteiles einer rotierenden elektrischen Maschine;

Fig. 3 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Verlaufes des Magnetflusses in dem Bereich gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Magnetkeiles gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Position eines Kernschlitzes und der Magnetflußdichte, und in

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Welligkeitsfaktor und dem Kernverlust.

Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine Schnittansicht des Hauptteiles einer rotierenden elektrischen Maschine, die mit einem Magnetkeil gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist eine Wicklung 4, die mit einer Isolierung 3 versehen ist, in einem Kernschlitz 2 montiert, der in einem Ständereisenkern 1 ausgebildet ist. Ein Magnetkeil 6, der diese Wicklung 4 haltert, ist im Öffnungsbereich des Schlitzes vorgesehen. Der Magnetkeil 6 steht mit der Seitenwand des Kernschlitzes 2 in Eingriff, d. h. mit einer Nut in den Kernzahnbereichen 1 a und 1 b, und ist auf diese Weise darin gehalten. Somit wird Wicklung 4 von dem Magnetkeil 6 fixiert und gehalten.

Die Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnen Abstandshalter zum Einstellen der Dimensionierung der Wicklung 4 in ihrer Höhenrichtung in dem Kernschlitz 2, und das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Abstandshalter zur Einstellung des Spaltes zwischen dem Kernschlitz 2 und der Wicklung 4 in der Breitenrichtung der Wicklung.

Ein Läufer 11 ist in einem Innenloch im Ständerkern 1 über einen Luftspalt 12 drehbar angeordnet.

Der Magnetkeil 6 ist folgendermaßen ausgebildet. Wie in Fig. 1 dargestellt, die einen Zustand teilweise mit Wegbrechungen zeigt, sind eine Gruppe von Magnetstreifen, d. h. viele Magnetstreifen 6 a und 6 b, die miteinander nicht in Kontakt stehen, nebeneinander in einer Richtung angeordnet, die um einen bestimmten Neigungswinkel R gegenüber der Dickenrichtung zur Breitenrichtung geneigt ist, und die so ausgebildeten, geneigten oder schrägen Magnetstreifen 6 a und 6 b sind mit einem Kunststoffmaterial 6 c, wie z. B. Kunstharz oder dergleichen, eingeformt und fixiert.

Unter dem Gesichtspunkt der magnetischen Eigenschaften ist es erwünscht, daß der Neigungswinkel R der Magnetstreifen 6 a und 6 b möglichst groß ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Magnetstreifen nicht so stark geneigt sein dürfen, daß sich beide Enden der Magnetstreifen über die Kernzahnbereiche 1 a und 1 b an beiden Seiten des Kernschlitzes 2 erstrecken. Dies deswegen, weil dann, wenn die Kernzahnbereiche 1 a und 1 b an beiden Seiten des Schlitzes 2 durch die Magnetstreifen 6 a und 6 b magnetisch kurzgeschlossen sind, der Magnetkeil seine eigentliche und wesentliche Funktion nicht ausführen kann.

Obwohl die Magnetstreifen 6 a und 6 b geneigt oder schräg zur Breitenrichtung nebeneinander angeordnet sind, ist es erwünscht, daß ihre Neigungsrichtungen abwechselnd verschieden in den benachbarten Magnetstreifen 6 a und 6 b in der Längsrichtung des Magnetkeiles sind, wie sich aus Fig. 1 und 2 entnehmen läßt.

Dabei ist die Darstellung in Fig. 2 so getroffen, daß die Intervalle zwischen den benachbarten Magnetstreifen größer sind als die Durchmesser der jeweiligen Magnetstreifen, was aber aus Gründen der Darstellung erfolgt ist. Tatsächlich ist dieses Intervall so kurz, daß es etwa 1/10 bis 1/5 des Durchmessers der Magnetstreifen ausmacht.

Bei einem so ausgebildeten Magnetkeil 6, der in Fig. 3 dargestellt ist, ist der magnetische Widerstand für den Magnetfluß Φ _ea klein, der von dem Kernzahnbereich 1 a zum Luftspalt 12 verläuft, da die Magnetstreifen 6 a mit der Richtung dieses Verlaufes ausgefluchtet sind. In gleicher Weise ist der magnetische Widerstand für den Magnetfluß Φ _eb klein, der von dem Kernzahnbereich 1 b zum Luftspalt 12 verläuft, da die Magnetstreifen 6 b mit der Richtung des Verlaufes ausgefluchtet sind. Andererseits ist der magnetische Widerstand für den Magnetfluß Φ _e groß, der den Keil 6 in seiner Breitenrichtung durchsetzt, da der Fluß, wenn er in den Keil an einer Seite des Kernzahnbereiches eintritt, notwendigerweise die nicht-magnetische Kunststoffschicht zumindest einmal in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ausfluchtungsrichtung der Magnetstreifen 6 a oder 6 b durchläuft.

In den obigen Darlegungen ist der Magnetkeil gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Ausführungsform erläutert worden, aber es lassen sich viele andere Ausführungsformen realisieren, die auf dem gleichen technischen Konzept basieren.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Magnetkeiles gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetstreifen 6 a und 6 b konzentrisch im zentralen Bereich des Keiles in seiner Breitenrichtung angeordnet.

Ein derartiger Aufbau ermöglicht es, daß viele Magnetflüsse den zentralen Bereich des Schlitzöffnungsbereiches in seiner Breitenrichtung durchlaufen, so daß die Verteilung der Magnetflüsse im Schlitzöffnungsbereich zusätzlich gleichmäßig gemacht werden kann, so daß die magnetischen Eigenschaften des Magnetkeiles weiter verbessert werden.

In diesem Falle kann der gleiche Effekt erzielt werden, indem man die Magnetstreifen konzentrisch anordnet, die eine unterschiedliche, d. h. hohe Permeabilität haben, während man die Magnetstreifen in der Gesamtheit des Keiles anordnet.

Ferner können magnetische Teilchen oder Partikel in dem nicht-magnetischen Kunststoff-Formteil verteilt oder verstreut werden, so daß die Permeabilität des Magnetkeiles genau eingestellt werden kann, indem man vorher die Menge an magnetischen Teilchen einstellt.

Außerdem können nicht-magnetische Fasern, die an der Seite entgegengesetzt zur Neigung der Magnetstreifen geneigt sind, in dem Formteil vermischt werden, um die Festigkeit des Keiles zu erhöhen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 werden der oben erwähnte, herkömmliche Magnetkeil und der Magnetkeil gemäß der Erfindung in ihrer Wirkung miteinander verglichen. Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Versuchsergebnisse der Magnetflußverteilung in dem Spalt zwischen einem Ständerkern und einem Läufer, wenn man einen Probenkeil mit einer Breite von 1,3 mm und einer Dicke von 4 mm verwendet, (Klasse von ungefähr 500 kW).

In diesem Diagramm bezieht sich eine gestrichelte Kurve X auf einen früher verwendeten Magnetkeil, bei dem im allgemeinen magnetische Elemente an beiden Seiten in der Breitenrichtung des Keiles angeordnet sind und Harz im zentralen Bereich eingefüllt ist. Wie sich aus dem Diagramm ergibt, ist seine Magnetflußverteilung in dem Schlitz und den Kernzahnbereichen stark verbessert im Vergleich mit der eines nicht-magnetischen Keiles, die mit einer Keilkurve Y dargestellt ist, hat aber immer noch beträchtliche Schwankungen. Andererseits ist die Magnetflußverteilung des Magnetkeiles gemäß der Erfindung, die mit der ausgezogenen Kurve Z dargestellt ist, weiter abgeflacht.

Die Abflachung der Magnetflußverteilung im Kernschlitzbereich wird in hohem Maße zu der Verringerung der Kernverluste aufgrund der Magnetflußwelligkeit auf einer Läuferoberfläche beitragen, einen Temperaturanstieg auf der Läuferoberfläche verhindern und die Effizienz einer rotierenden elektrischen Maschine selbst verbessern.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Magnetflußwelligkeit (Welligkeitsfaktor) und den Kernverlusten, dargestellt mit einer Kurve P. Der Welligkeitsfaktor β des Magnetflusses ist gegeben durch

β = B ₀ × 0,5/B _max,

wobei B ₀ eine Amplitude ist und B _max den maximalen Magnetfluß angibt.

Die Magnetfluß-Welligkeitsfaktoren von verschiedenen Keilen für rotierende elektrische Maschinen der 500 kW- Klasse, d. h. die Keile, die den Kurven X, Y und Z in Fig. 5 entsprechen, können mit obiger Gleichung berechnet werden. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. ,6Magnetfluß-Welligkeitsfaktor

nicht-magnetischer Keil (Y),60,39 herkömmlicher Keil (X),60,30 Keil gemäß Erfindung (Z),60,27

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß der Kernverlust, der dem jeweiligen obigen Welligkeitsfaktor entspricht, einen Wert von 3,5 kW bei einem üblichen nicht-magnetischen Keil Y, einen Wert von 1,98 kW bei einem üblichen magnetischen Keil X sowie einen Wert von 1,5 kW bei einem Magnetkeil Z gemäß der Erfindung hat. Obwohl der übliche Magnetkeil einen stark verringerten Kernverlust aufweist, hat der Magnetkeil gemäß der Erfindung einen weiter reduzierten Kernverlust, was die Überlegenheit des Magnetkeiles gemäß der Erfindung bestätigt.

Wie oben angegeben, wird bei dem Magnetkeil gemäß der Erfindung eine gewünschte magnetische Eigenschaft erhalten, da eine Gruppe von Magnetstreifen, die von der Dickenrichtung zur Breitenrichtung und einem vorgegebenen Winkel geneigt sind, und eine andere Gruppe von Magnetstreifen, die zu der Seite entgegengesetzt zur obigen Gruppe von Magnetstreifen geneigt sind, abwechselnd in der Längsrichtung angeordnet sind, so daß der magnetische Widerstand für den Magnetfluß klein ist, der von den Kernzahnbereichen zu dem Luftspalt verläuft, während der magnetische Widerstand für den Magnetfluß, der durch den Magnetkeil in der Breitenrichtung verläuft, d. h. von einem Kernzahnbereich zu einem anderen benachbarten Kernzahnbereich verläuft, groß ist. Die mechanische Festigkeit des Keiles kann ebenfalls verbessert werden, da die Magnetstreifen unter abwechselnd entgegengesetzten Neigungswinkeln angeordnet sind. Somit kann gemäß der Erfindung ein Magnetkeil zur Verwendung in einer rotierenden elektrischen Maschine angegeben werden, der gute magnetische Eigenschaften sowie eine verbesserte mechanische Festigkeit aufweist.

Claims

1. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich eines Kernschlitzes (2) zur Aufnahme einer Wicklung (4) angeordnet ist, um die in dem Schlitz aufgenommene Wicklung zu haltern, und der aus einem magnetischen Element (6 a, 6 b) aufgebaut ist, das in ein Kunststoffteil (6 c) eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mangnetische Element aus einer Gruppe von Magnetstreifen besteht, die nebeneinander in vorgegebenen Intervallen angeordnet sind, und daß die Magnetstreifen in der Breitenrichtung des Keiles geneigt angeordnet sind.

2. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich eines Kernschlitzes (2) angeordnet ist und der aus einem magnetischen Element (6 a, 6 b) aufgebaut ist, das in einem Kunststoffteil (6 c) eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (6 a, 6 b) aus einer Gruppe von Magnetstreifen besteht, die ohne Kontakt miteinander und unter einem vorgegebenen Neigungswinkel für die Tiefenrichtung des Kernschlitzes angeordnet sind.

3. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich eines Kernschlitzes (2) zur Aufnahme einer Wicklung (4) angeordnet ist und der von einem in ein Kunststoffteil (6 c) eingeformten magnetischen Element (6 a, 6 b) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element aus magnetischen Teilchen, die in dem Kunststoffteil verteilt sind, und einer Gruppe von Magnetstreifen besteht, wobei die Magnetstreifen ohne Kontakt miteinander und unter einem vorgegebenen Neigungswinkel für die Tiefenrichtung des Kernschlitzes angeordnet sind.

4. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich eines Kernschlitzes (2) zur Aufnahme einer Wicklung (4) angeordnet ist, um die in dem Schlitz aufgenommene Wicklung zu halten, und der aus einem magnetischen Element (6 a, 6 b) besteht, das in ein Kunststoffteil eingeformt ist (6 c), dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element aus einer Gruppe von Magnetstreifen ohne Kontakt miteinander besteht, die in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Keiles und mit einer Neigung von den Seitenwänden des Keiles zur Oberfläche des Keiles entgegengesetzt zur Wicklung angeordnet sind.

5. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich eines Kernschlitzes (2) zur Aufnahme einer Wicklung (4) angeordnet ist und der von einem magnetischen Element (6 a, 6 b) gebildet wird, wobei das magnetische Element aus einer Gruppe von Magnetstreifen besteht, die ohne Kontakt miteinander in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Keiles und mit einem vorgegebenen Neigungswinkel für die Dickenrichtung des Keiles angeordnet sind.

6. Magnetkeil (6) zur Verwendung in einer elektromagnetischen Vorrichtung, der im Öffnungsbereich des Kernschlitzes (2) zur Aufnahme einer Wicklung (4) angeordnet ist und von einem in ein Kunststoffteil eingeformten magnetischen Element gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (6 a, 6 b) aus einer Gruppe von Magnetstreifen besteht, die ohne Kontakt miteinander in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Keiles und mit einem vorgegebenen Neigungswinkel für die Dickenrichtung des Keiles angeordnet sind, wobei die Neigungswinkel der benachbarten Magnetstreifen in Längsrichtung des Keiles abwechselnd verschieden sind.