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1. WO2015010795 - ROTOR FÜR EINE ELEKTRISCHE MASCHINE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Rotor für eine elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische

Maschine .

Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl von Rotoren. Die meisten dieser Vorrichtungen sind meist nicht

korrosionsbeständig und weisen keinen optimalen Wirkungsgrad auf. Die eisenhaltigen Rotorteile müssen daher immer

aufwändig gegen Korrosion geschützt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Mit der vorliegenden

Erfindung soll die Korrosionsbeständigkeit verbessert und ein höherer Wirkungsgrad gewährleistbar sein. Ferner sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsschritte beim Herstellen des Rotors reduziert werden.

Die Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:

Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend

- ein Laufrad aus Bronze, insbesondere aus Aluminiumbronze, und

- mindestens eine zumindest teilweise hohlzylindrisch

ausgebildete äußere Schicht aus eisenhaltigem Metall,

wobei die äußere Schicht mit dem Laufrad formschlüssig verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer

Maschine oder eines Aggregats. Das Gegenstück zum Rotor bei elektrischen Maschinen ist der Stator, der als feststehender und unbeweglicher Teil verstanden wird.

Ein Laufrad ist ein bewegtes (rotierendes) Teil eines Rotors. Das Laufrad ist bevorzugt mittels einer Welle, die sich axial in Längsrichtung erstreckt derart lagerbar, um strömenden Fluiden oder Liquiden Arbeit zu entziehen oder zuzuführen.

Besonders bevorzugt ist das Laufrad ohne Welle ausgeführt. Die Lagerungsfunktion des Rotors ist dann über Gleitlager am Außendurchmesser des Rotors und im Statorgehäuse

gewährleistbar .

Ein Laufradblatt (Laufradschaufelblatt oder Rotorschaufel) ist ein Teil des Laufrades. Bevorzugt ist das Laufrad

einschauflig ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das

Laufrad mindestens zwei Laufradblätter auf. Besonders

bevorzugt sind die Laufradblätter annähernd symmetrisch verteilt im Laufrad angeordnet, um einen gleichmäßigen Lauf des Rotors zu gewährleisten.

Die vorgesehene zumindest teilweise hohlzylindrisch

ausgebildete äußere Schicht, die mit dem Laufrad

formschlüssig verbunden ist, verhilft dem Rotor zur

Steigerung des Rotationsvermögens und zur Erhöhung des

Wirkungsgrads .

Die äußere Schicht (eisenhaltiger Rücken) ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet. Durch diese Ausbildung ist eine durchgehende Ummantelung des Laufrades gewährleistet.

Besonders bevorzugt weist die äußere Schicht eine Dicke von etwa 10% bis 20%, bevorzugt ca. 15% des Rotordurchmessers auf .

Vorzugsweise weist die äußeren Schicht Verlängerungen

(auskragende Teilbereiche) in Längsrichtung auf, die zu einem verbesserten Formschluss mit der Bronze beitragen. Dabei sind die Verlängerungen bevorzugt stufenartig ausgebildet und symmetrisch entlang der Hohlzylinderkante angeordnet.

Besonders bevorzugt weist die äußere Schicht mindestens zwei ringförmige Teilbereiche auf. Dabei werden mindestens zwei ringförmige, hohlzylindrische äußere Schichten um das Laufrad herum gebildet, die beabstandet von einander entfernt liegen. Durch diese Ausbildung ist eine teilweise Ummantelung des Laufrades gewährleistet. Dabei entsteht ein verbesserter Formschluss, weil Bronze auch zwischen den ringförmigen

Teilbereichen einbringbar ist.

In einer weiteren besonders bevorzugt Ausgestaltung ist die äußere Schicht segmentartig ausgebildet. D.h., dass die äußere Schicht aus eisenhaltigem Metall teilweise

hohlzylindrisch ausgebildet ist. Dabei wird die äußere

Schicht durch in axialer Längsrichtung angeordnete und zylindrisch geformte Teilstücke definiert wird. Dabei

entsteht ein verbesserter Formschluss, weil Bronze zwischen den zylindrisch geformten Teilstücken einbringbar ist.

Durch den Einsatz von Bronze, insbesondere von

Aluminiumbronze, lässt sich ein korrosionsbeständiges Laufrad herstellen.

Bevorzugt wird bei der Bronze ein Verhältnis von Kupfer zu Zinn zwischen 95%/5% und 85%/15% gewählt. Bei einem

Verhältnis von 90% Kupfer zu 10% Zinn und einer

Schmelztemperatur von über 900°C haben sich die besten

Resultate für den Formschluss mit dem eisenhaltigen Metall der äußeren Schicht ergeben.

Besonders bevorzugt besteht der Rotor aus Aluminiumbronze. Aluminiumbronze weist Kupfer, Eisen und Nickel und als

Hauptlegierungszusatz ca. 10% Aluminium auf. Aluminiumbronzen haben den Vorteil, dass sie sehr korrosionsbeständig sind.

Besonders bevorzugt wird auch Zinnbronze für den Rotor verwendet. Zinnbronze weist Kupfer, Zinn und Blei auf.

Zinnbronzen haben den Vorteil, dass sie ebenfalls sehr korrosionsbeständig sind.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können auch beständige Kunststoffe und Edelstahl als Materialien für das Laufrad verwendet.

Bevorzugt weist das Laufrad eine zylindrisch ausgebildete Schicht aus Bronze auf, die das Laufrad radial begrenzt.

Durch die radiale Begrenzung ist ein Formschluss mit der äußeren Schicht besser erreichbar. Die Dicke der Schicht entspricht in etwa 5% bis 25%, bevorzugt 15% des

Rotordurchmessers .

Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht mit dem Laufrad über die das Laufrad radial begrenzende Schicht vergossen. Hierbei ist eine stabile und formschlüssige Verbindung zwischen dem Laufrad und der äußeren Schicht herstellbar.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht die radial verlaufende äußere Schicht aus Stahl, bevorzugt aus beruhigtem Stahl, besonders bevorzugt aus

S355J2+N, gemäß EN 10025; DIN 17100 alt national: St52-3N.

Aufgrund des höheren Schmelzpunktes des beruhigten Stahls findet beim Vergießen der Bronze lediglich ein Erhitzen, ohne ein Schmelzen, des Stahls statt. Dabei kommt es zu einer formschlüssigen Verbindung der Bronze mit dem Stahl.

Bevorzugt kommt es durch das Schrumpfen/Schwinden der Bronze beim Erkalten der Schmelze auch zu einer kraftschlüssigen Verbindung.

Bevorzugt weist das eisenhaltige Metall noch weitere Metalle oder Metalllegierungen auf, wie Kupfer, Zinn, Nickel, Blei, Mangan und/oder Messing. Dadurch lassen sich physikalische Eigenschaften, wie Härte, Schmelzpunkt, Gewicht,

Korrosionsbeständigkeit, etc. beeinflussen.

Bevorzugt weist der Stahl St52-3N Legierungselemente, wie Nickel und Mangan auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die äußere Schicht an ihrer Innenseite

(innenliegende Mantelfläche) Vertiefungen, Erhöhungen,

Sicken, und/oder Scherzapfen auf. Dadurch kann die flüssige Bronze in die hohlen Bereiche der äußeren Schicht eindringen, um so eine verbesserte Formschlüssigkeit und

Kraftschlüssigkeit zu erreichen.

Vorzugsweise weist die äußere Schicht Verlängerungen

(auskragende Teilbereiche) in axialer Richtung auf. Diese tragen zu einem verbesserten Formschluss mit der Bronze nach dem Vergießen der Bronze bei. Bevorzugt sind die

Verlängerungen stufenartig ausgebildet und symmetrisch entlang der Hohlzylinderkante angeordnet. Vorzugsweise sind nach dem Vergießen am Laufrad entsprechend ausgestaltete Aufnahmemöglichkeiten für die Verlängerungen der äußeren Schicht ausgebildet, um so einen Formschluss mit der äußeren Schicht zu schaffen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die äußere Schicht an ihrer Außenseite

Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken auf. Die

Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken an der Außenseite (außenliegende Mantelfläche) dienen der Aufnahme von

Magneten.

Vorzugsweise sind Magnete in die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken einbringbar. Das Haltern/Fixieren der

Magnete, wird zum Einen durch die Anziehungskraft

(Magnetismus) zwischen der eisenhaltigen äußeren Schicht und den entsprechenden Magneten erreicht. Zum Anderen kann mit Klebstoffen, bevorzugt harzhaltigen Klebemitteln, eine zusätzliche Haltekraft erzeugt werden, die die Magnete auf der äußeren Schicht fixiert.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Magneten um Permanentmagnete .

Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht mittels einer Abdeckung luft- und wasserdicht versiegelbar/verschließbar. Durch diese Abdeckung lässt sich ein Rosten des

korrosionsanfälligen Eisens/Stahls unterbinden. Vorzugsweise ist die Abdeckung rohrförmig ausgebildet und besteht

bevorzugt aus Kunststoffmaterial oder Edelstahl.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Rotor in einer elektrischen Maschine in einer Pumpe,

bevorzugt in Wasserturbinen verwendet.

Dabei kommt bevorzugt ein Stator zur Anwendung, der als feststehender, unbeweglicher Teil der jeweiligen Vorrichtung als Gegenstück zum Rotor verwendet wird.

Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10: Verfahren zur Herstellung eines Rotors, umfassend die Schritte

- Einbringen einer zumindest teilweise hohlzylindrischen äußeren Schicht aus eisenhaltigem Metall in eine Gussform,

- Eingießen von Bronze in die Gussform,

- Abkühlen der Bronze,

- Entnahme des fertig vergossenen Rotors und

- spanende Bearbeitung des Rotors.

Eine Vielzahl von Fertigungsschritten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, fällt damit weg.

Bevorzugt liegt der Schmelzpunkt der Bronze, entsprechend dem Verhältnis von Kupfer zu Zinn, zwischen ca. 232°C und 1084°C. Aufgrund des höheren Schmelzpunktes des eisenhaltigen

Metallrückens findet beim Vergießen der Bronze lediglich ein Erhitzen, ohne ein Schmelzen, des Stahls statt.

Die äußere Schicht aus Stahl behält seine Position in der Gussform bei. Lediglich die Bronze wird in die Gussform eingelassen um sich um den Stahl herum zu verteilen.

Das Eingießen von Bronze in die Gussform erfolgt bevorzugt innerhalb einer kurzen Zeitspanne von 2 bis 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 3 Minuten, um ein

gleichmäßiges Abkühlen der vergossenen Bronze zu

bewerkstelligen.

Bevorzugt findet ein mechanisches Nachbearbeiten des fertig vergossenen Rotors mit entsprechenden Vorrichtungen statt, damit bspw. Unebenheiten oder störende Gussreste vom Rotor entfernt werden können.

Besonders bevorzugt sind vom Verfahren ferner folgende

Schritte umfasst:

- Einbringen von Magneten in Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken entlang der Mantelfläche der äußeren Schicht und

- Versiegeln der äußeren Schicht mittels einer luft- und wasserdichten Abdeckung.

Die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken werden

bevorzugt mittels Fräs- oder Bohrköpfen in die Mantelfläche der äußeren Schicht eingebracht.

Mit der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte

Korrosionsbeständigkeit und ein höherer Wirkungsgrad zu erreichbar.

Die Erfindung soll nun anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter veranschaulicht werden. Hierbei zeigt:

Figur 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors im

Längsschnitt,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht der äußeren Schicht des Rotors aus Figur 1 vor dem Vergießen und

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Laufrads des

erfindungsgemäßen Rotors aus Figur 1.

Die Figur 1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors im Längsschnitt.

Der Rotor 1 umfasst ein Laufrad 2, wobei das Laufrad 2

Laufradblätter 3, eine Welle 4 und eine das Laufrad 2 radial begrenzende Schicht 5 aufweist. Die Schicht 5 weist eine durchgehend hohlzylindrisch ausgebildet. Im Bereich der das Laufrad 2 radial begrenzenden Schicht 5 ist eine

hohlzylindrisch ausgebildete äußere Schicht 6 angebracht. Die Welle 4 dient der Lagerung des Rotors 1 um bspw. in einer Pumpvorrichtung mit Stator gelagert zu werden.

Alternativ könnte die Konstruktion aber auch ohne Welle ausgeführt werden. Dabei sind Gleitlager an der Außenfläche des Rotors (und im Stator) einbringbar, so dass der Rotor direkt in einem Statorgehäuse geführt werden kann (nicht dargestellt ) .

Das Laufrad 2 und die Schicht 5 sind aus Bronze hergestellt.

Die äußere Schicht 6 ist mit dem Laufrad 2 über die Schicht 5 durch ein Vergießen der Bronze formschlüssig verbunden.

Die äußere Schicht 6 weist an ihrer Innenseite Vertiefungen, Erhöhungen, Sicken, und/oder Scherzapfen (nicht dargestellt) auf. Hierdurch ist eine zusätzliche Formschlüssigkeit

erreichbar .

In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht der äußeren

Schicht des Rotors aus Figur 1 vor dem Vergießen mit der Bronze dargestellt.

Die äußere Schicht 6 weist Verlängerungen (auskragende

Teilbereiche) 7 in der Längsrichtung auf. Diese tragen zu einem verbesserten Formschluss mit der Bronze bei. Dabei sind die Verlängerungen 7 stufenartig ausgebildet und symmetrisch entlang der Hohlzylinderkante angeordnet.

Die Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Laufrads des erfindungsgemäßen Rotors aus Figur 1.

Das Laufrad 2 umfasst Laufradblätter 3, die Welle 4 und die das Laufrad 2 radial begrenzende Schicht 5.

Das Laufrad 2 aus Bronze weist entsprechend ausgestaltete Aufnahmemöglichkeiten für die Verlängerungen 7 der äußeren Schicht 6 auf, so dass ein Formschluss mit der äußeren

Schicht 6 erreicht wird.

Nach dem Zusammenfügen der äußeren Schicht aus der Figur 2 mit dem Laufrad 2 aus der Figur 3 ergibt sich ein Rotoraufbau gemäß der Figur 1.

Die äußere Schicht 6 kann an ihrer Außenseite (Mantelfläche) Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken aufweisen (nicht dargestellt). Die Ausnehmungen, Aussparungen und/oder Sicken dienen der Aufnahme von Magneten, bevorzugt Permanentmagnete.

Besonders bevorzugt ist die äußere Schicht 6 mittels einer Abdeckung luft- und wasserdicht versiegelbar. Durch das

Versiegeln der korrosionsanfälligen Eisenschicht ist noch eine rohrförmige Abdeckung bevorzugt aus Kunststoffmaterial, aus Edelstahl oder aus einem anderen korrosionsbeständigen Werkstoff auf dem Rotor 1 aufzubringen (nicht dargestellt).

Bezugszeichenliste

Rotor

Laufrad

Laufradblatt, Rotorschaufel

Laufradwelle

die das Laufrad radial begrenzende Schicht äußere Schicht

Verlängerung