BE1018187A3 - Werkwijze voor het vervaardigen van een rotor en een rotor verkregen met zulke werkwijze. - Google Patents

Abstract

Werkwijze voor het vervaardigen van een rotor, waarbij deze werkwijze de volgende stappen omvat: het voorzien van een nagenoeg cilindrische rotoras (6);het voorzien van een conisch gedeelte (7) aan een uiteinde van de voornoemde rotoras(6); het voorzien van een magneetring (1) met een binnenste en een buitenste nagenoeg ringvormige band (2, respectievelijk 3) waartussen een aantal, al dan niet op voorhand gemagnetiseerde permanente magneten(4) zijn ingebed; en het, over het conisch gedeelte (7) en met een perspassing, op de rotoras (6) schuiven van de magneetring (1), ter vorming van een rotor.

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een rotor en een rotor verkregen met zulke werkwijze.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een rotor, en meer speciaal voor het monteren van permanente magneten op een rotoras, bijvoorbeeld op de rotoras van een elektrische machine of voor gebruik in gelijk welke andere toepassing waarvoor een cilindervormige bron van een magnetisch veld vereist is.

Heden kent men reeds rotoren die een rotoras en daarop gemonteerde magneten omvatten, welke rotoren bijvoorbeeld worden gebruikt als permanente magneetrotors voor een elektrisch, hoge snelheidsmotor.

Heden zijn reeds verscheidene werkwijzen bekend voor het vervaardigen van zulke permanente magneetrotors.

Het US 3.909.647 beschrijft een samenbouw van een rotor waarvan de magneet een ringvorm vertoont. Door middel van warmte wordt een metalen huls rond de magneetring gemonteerd door krimpen. Zulke massieve ringvormige magneet kan echter een medium vormen voor de circulatie van wervelstromen, wat aanleiding geeft tot bijkomende verliezen in de magneet. Daarenboven kan, voor het vervaardigen van permanente magneten, een hoge druk vereist zijn, zodat het vervaardigen ,van een grote magneetring duur kan zijn.

In het US 4.549.341 is een werkwijze beschreven waarin door matrijzengietwerk een aluminium houder wordt vervaardigd waarin de gemagnetiseerde magneten worden aangebracht. Vervolgens wordt, onder invloed van warmte, een metalen huls rond de rotor gemonteerd door krimpen. Matrijsgieten is een complex proces en is beperkt tot de specifieke rotorconfiguratie die is beschreven in dit octrooischrift. Magneten kunnen een standaard blokvorm vertonen, doch, deze werkwijze vereist nog steeds dat de magneten worden bewerkt alvorens de huls te monteren.

Een veel voorkomend nadeel van zulke benadering waarbij gebruik wordt gemaakt van een metalen huls die onder invloed van warmte wordt gemonteerd door krimp, is dat de huls niet kan worden voorverwarmd tot hoge temperaturen aangezien dit een invloed zou hebben op de magnetische eigenschappen van de magneten. Dit leidt tot een kleinere krimppassing en lagere voorspanning in de magneten na de assemblage. Magnetisatie van de hele rotor is aanzienlijk duurder dan het magnetiseren van een enkele magneet door het groter volume van de rotor en de wervelstromen in het massieve rotorlichaam die zouden ontstaan tijdens het magnetiseren.

Een andere bestaande werkwijze die wordt beschreven in het US 5.563.463 suggereert het monteren van een huls in een koude toestand, hierbij gebruik makend van de plasticiteit van het materiaal van de huls. Deze werkwijze is beperkt tot het gebruik van dunwandige hulzen en is bijgevolg niet geschikt voor hoge snelheidstoepassingen.

Een gangbaar nadeel van metalen hulzen is de relatief lage vloeisterkte van de meeste metalen, wat een beperking oplegt aan de omtreksnelheid van rotoren die zijn voorzien van zulke huls.

Een directe omwikkeling met vezelmateriaal onder voorspanning, geeft, zoals vermeld in de inleiding van het US 5.563.463, aanleiding tot een aantal ernstige nadelen die zulke werkwijze ongeschikt maken voor serieproductie.

De werkwijze die is beschreven in het US 6.104.115 maakt gebruik van een conische vorm van de rotor en een complementaire huls. Het vervaardigen van een conische rotor in serieproductie is echter duur.

Indien daarenboven gebruik wordt gemaakt van een geprefabriceerde composiethuls, betekent dit dat het conisch binnenoppervlak is vervaardigd met behulp van een korte mandrijn met overeenstemmende coniciteit, wat eveneens leidt tot een meerkost. Het gebruik van een steunplaat zorgt voor een toename van de centrifugaalkrachten die inwerken op de huls, wat nadelig is.

De huidige uitvinding heeft als doel een oplossing te bieden aan één of meer van de voornoemde en/of andere nadelen.

Hiertoe betreft de huidige uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een rotor, waarbij deze werkwijze de volgende stappen omvat: - het voorzien van een nagenoeg cilindrische rotoras; - het voorzien van een conisch gedeelte aan een uiteinde van de voornoemde rotoras; - het voorzien van een magneetring met een binnenste en een buitenste nagenoeg ringvormige band waartussen een aantal, al dan niet op voorhand gemagnetiseerde permanente magneten zijn ingebed; en - het, over het conisch gedeelte en met een perspassing, op de rotoras schuiven van de magneetring, ter vorming van een rotor.

Naarmate de magneetring verder over het conisch gedeelte wordt geschoven, neemt de contactdruk tussen de magneten en de binnenste en buitenste band toe, zodanig dat de magneten stevig tegen de rotoras bevestigd blijven, ook bij hoge snelheidstoepassingen, zonder dat de magneten kunnen breken onder invloed van de centrifugaalkrachten.

Een voordeel van een werkwijze volgens de uitvinding is dat zij toelaat om gebruik te maken van een eenvoudige cilindervormige rotoras.

Nog een voordeel van een werkwijze volgens de uitvinding is dat zij goedkoop is en dat zij geschikt is om te worden toegepast voor serieproductie.

Een ander voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding bestaat erin dat zij geschikt is voor het gebruik van zowel gemagnetiseerde als niet gemagnetiseerde magneten en dat zij toelaat om eenvoudige magneetvormen aan te wenden.

Volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding wordt de binnenste en/of de buitenste band uitgevoerd in een polymeer of een vezelversterkt polymeermateriaal.

Het gebruik van deze materialen zorgt ervoor dat een lichte, doch sterke rotor wordt verkregen waarvan de magneten ook bij hoge draaisnelheden worden geborgen.

Volgens een voorkeurdragende werkwijze volgens de uitvinding worden meerdere magneetringen op de rotoras geschoven, waarbij de positionering van deze magneetringen zodanig is dat er een axiale afstand aanwezig is tussen de magneten van naast elkaar geplaatste magneetringen.

Hierdoor wordt verkregen dat de magneten van naast elkaar voorziene magneetringen elektrisch geïsoleerd zijn ten opzichte van elkaar door de aanwezigheid van een luchtspleet tussen beide.

Met het inzicht de kenmerken van de huidige uitvinding beter aan te tonen, is hierna als voorbeeld zonder enig beperkend karakter een voorkeurdragende werkwijze volgens de uitvinding voor het monteren van permanente magneten op een rotor beschreven, evenals een rotor verkregen met zulke werkwijze, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch een magneetring weergeeft die kan worden aangewend in een werkwijze volgens de uitvinding; figuur 2 een doorsnede weergeeft volgens lijn II-II in figuur 1; de figuren 3 tot 6 verschillende stappen weergeven van een werkwijze volgens de uitvinding; figuur 7 op grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 1 is aangeduid met F7; figuur 8 op grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 6 is aangeduid met F8; figuur 9 schematisch en in perspectief en met gedeeltelijke weglating het gedeelte weergeeft dat in figuur 6 is aangeduid met pijl F9; figuur 10 een variant weergeven volgens figuur 6.

In de figuren 1 en 2 is een magneetring 1 weergegeven die kan worden aangewend in een werkwijze volgens de uitvinding, waarbij deze magneetring 1 in hoofdzaak bestaat uit een binnenste, nagenoeg ringvormige band 2 en een buitenste nagenoeg ringvormige band 3, waarbij deze banden 2 en 3 concentrisch ten opzichte van elkaar worden gepositioneerd.

De voornoemde binnenste band 2 en de buitenste band 3 zijn volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding uitgevoerd in een polymeer of een vezelversterkt polymeermateriaal, doch het is tevens mogelijk om bijvoorbeeld de buitenste band 3 uit te voeren in een ander materiaal, zoals metaal.

De bewoording "band" is hierbij niet beperkt tot een soepel of flexibel element, doch, omvat relatief stijve en weinig plooibaar ringvormige elementen.

Volgens de uitvinding worden tussen de voornoemde binnenste en buitenste band 2, respectievelijk 3, een aantal permanente magneten 4 ingebed.

Bij voorkeur, doch niet noodzakelijk, zijn de magneten 4 op dit ogenblik nog niet gemagnetiseerd, zodanig dat voor de productie en assemblage van de magneetring 1 geen grote krachten vereist zijn en dit proces bijgevolg kan worden geautomatiseerd.

In het geval er wordt uitgegaan van niet gemagnetiseerde magneten 4, worden, na het aanbrengen van deze magneten 4 tussen de binnenste en de buitenste band 2, respectievelijk 3, deze magneten 4 gemagnetiseerd.

Zoals is weergegeven in figuur 3 omvat de werkwijze volgens de uitvinding de stap van een magneetring 1 door middel van een pers 5 op een rotoras 6 aan te brengen, ter vorming van een rotor.

Dit wordt verwezenlijkt door de betreffende magneetring 1 over een conisch gedeelte 7 te schuiven dat aan een uiteinde van de voornoemde rotoras 6 is voorzien en dat al dan niet deel uitmaakt van de rotoras 6.

Het is duidelijk uit figuur 3 dat het voornoemde conisch gedeelte 7 hiertoe zodanig is uitgevoerd dat het een vrij uiteinde vertoont met een eerste diameter d, en een tweede uiteinde dat aansluit tegen een cilindrisch gedeelte 8 van de rotoras 6 en dat een tweede diamater D vertoont die groter is dan de voornoemde eerste diameter d.

De voornoemde pers 5 is in dit voorbeeld voorzien van een cilindrische kop waarvan de binnendiameter d' groter is dan de diameter D van het cilindrisch gedeelte 8 van de rotoras 6, teneinde mechanisch contact tussen de kop van de pers 5 en de rotoras 6 te vermijden.

In rust, d.w.z. in niet opgespannen toestand, vertoont de binnenste band 2 van de magneetring 1 een binnendiameter D' die kleiner is dan de diameter D van het cilindrisch gedeelte 8, zodanig dat bij het op de rotoras 6 duwen van de magneetring 1, een perspassing wordt verwezenlijkt.

De permanente magneten 4 vertonen bij voorkeur een rechthoekige of een trapezoïdale doorsnede, doch zij kunnen volgens de uitvinding allerhande vormen vertonen. Het binnenoppervlak 9 van de magneten, of met ander woorden het oppervlak van de magneten 4 dat in contact is met de binnenste band 2, drukt in het midden meer tegen de rotoras 6 dan aan de buitenzijde en is hiertoe bij voorkeur plat uitgevoerd wat tevens eenvoudig te realiseren is.

Het gebruik van meerdere magneten 4 zorgt ervoor dat, zowel de binnenste, als de buitenste band 2 en 3 een polygoonvorm verkrijgt. Des te meer magneten er worden toegepast, des te beter de magneetring 1 aansluit tegen de rotoras 6.

Door gebruik te maken van een vezelversterkt polymeermateriaal, kan volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding gebruik worden gemaakt van een anisotropie van mechanische eigenschappen.

Zo kan er bijvoorbeeld een vezelversterking worden voorzien aan het contactoppervlak tussen de banden 2 en 3, enerzijds, en de magneten 4, anderzijds, wat ertoe leidt dat de banden 2 en 3 zich aanpassen aan de polygoonvorm van de magneten 4.

Naarmate de pers 5 de magneetring 1 over het conisch gedeelte 7 duwt, op de wijze, zoals is weergegeven in de opeenvolgende figuren 3 tot 5, neemt de contactdruk tussen de magneten 4 en de banden 2 en 3 toe, waardoor een perspassing van de magneetring 1 op de rotoras 6 wordt verkregen.

Vermits de magneten 4, zoals meer in detail is weergegeven in figuur 7, in dit voorbeeld aan hun binnenoppervlak 9 vlak zijn, is de contactdruk tussen de magneten 4 en de binnenste band 2 het grootst in het midden van het contactoppervlak.

De contactdruk veroorzaakt wrijving die het grootst is in het centrum van het binnenoppervlak 9 van de respectievelijke magneten 4.

Dit betekent dat, naarmate de binnenste band 2 uitrekt terwijl de magneetring 1 verder over het conisch gedeelte 7 wordt geschoven, de magneten 4 hun positie behouden op het oppervlak van deze binnenste band 2.

Door het uitrekken van de binnenste band 2, neemt de onderlinge afstand tussen elke twee, naast elkaar gelegen magneten 4 toe.

Zelfs in het geval de magneten 4 elkaar raken tijdens de assemblage van de magneetring 1, wat in feite de meest eenvoudige manier is voor het assembleren, zal er, tijdens het verschuiven van de magneetring 1 over het conisch gedeelte 7, een kleine luchtspleet 10 ontstaan tussen elke twee naast elkaar gelegen magneten 4.

Zulke luchtspleet 10 doet dienst als elektrische isolatie tussen de magneten 4 en laat toe om elektrisch geleidende coatings te gebruiken op de magneten 4.

De magneetring 1 wordt, zoals weergegeven in figuur 5 vervolgens over een vooraf bepaalde afstand op het cilindrisch gedeelte van de rotoras 6 geschoven.

Na het aanbrengen van een magneetring 1 op de rotoras 6, kunnen op analoge wijze vervolgens andere magneetringen 1' op de rotoras 6 worden aangebracht, zoals weergegeven in f iguur 6 ..

Bij voorkeur is de positionering van deze magneetringen 1 zodanig dat er een axiale afstand x aanwezig is tussen de magneten 4 van naast elkaar geplaatste magneetringen 1 en 1' .

Dit kan, zoals blijkt uit figuur 8, bijvoorbeeld worden verwezenlijkt doordat de axiale lengte 1 van de magneten 4 kleiner is dan de axiale lengte L van de binnenste en/of de buitenste band 2 en/of 3. Op deze wijze wordt er een axiale isolatie van de magneetringen 1 ten opzichte van elkaar verkregen.

Door de axiale lengte 1 van de buitenste band 3 groter uit te voeren dan de axiale lengte L van de magneten 4, en de magneetringen 1 en 1' axiaal tegen elkaar te schuiven met hun respectievelijke buitenste banden 3, wordt een continue buitenste beschermlaag gevormd die samen met eventuele zijringen 11 die worden getoond in figuur 10 en die langs weerszijden tegen het geheel van magneetringen 1 en 1' zijn aangebracht, een continue buitenste beschermlaag vormen tegen de infiltratie van stof en metaaldeeltjes.

Het spreekt voor zich dat het toepassen van zulke zijringen 11 niet beperkt is tot toepassingen waarbij meerdere magneetringen 1 worden voorzien, doch, dat zulke zijringen 11 tevens aan weerszijden van één enkele magneetring 1 kunnen worden voorzien.

Door de axiale afstand tussen de magneten 4 van naast elkaar gelegen magneetringen 1 en 1'; door de aanwezigheid van een luchtspleet tussen elke twee naast elkaar gelegen magneten 4 van een magneetring 1 of 1'; en door de banden 2 en 3 uit te voeren in niet elektrisch geleidend materiaal, wordt verkregen dat de magneten 4 langs alle zijden elektrisch geïsoleerd zijn ten opzichte van elkaar, zelfs in het geval deze magneten 4 zijn voorzien van een elektrisch geleidende coating.

Deze zijringen 11 kunnen worden uitgevoerd in de vorm van een al dan niet versterkt polymeer, doch, het gebruik van een niet-magnetische metallische ring is eveneens mogelijk.

Volgens een niet in de figuren weergegeven variant van een rotor volgens de uitvinding kan één van de voornoemde zijringen 11 worden gevormd door een kraag die deel uitmaakt van de rotoras 6 van deze rotor.

Volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding zijn minstens twee naast elkaar gelegen magneetringen 1 zodanig op de rotoras 6 aangebracht dat zij een hoekverdraaiing vertonen ten opzichte van elkaar. Dit is weergegeven in figuur 9 die schematisch en in perspectief het gedeelte weergeeft dat in figuur 6 is aangeduid met pijl F9 en waarbij de rotoras 6, evenals een gedeelte van de buitenste band 3, zijn weggelaten voor de duidelijkheid.

De voornoemde hoekverdraaiing is in dit geval zodanig dat de magneten 4 van elke twee naast elkaar voorziene magneetringen 1 en 1' verdraaid zijn ten opzichte van elkaar over een afstand die nagenoeg gelijk is aan de halve breedte b van een magneet 4.

Dit heeft tot gevolg dat het effect van de openingen tussen de magneten 4 wordt gereduceerd en verliezen in, zowel de rotor, als in een stator, waarin zulke rotor volgens de uitvinding wordt aangebracht, worden gereduceerd.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven werkwijzen en uitvoeringsvormen, doch, een werkwijze volgens de uitvinding voor het vervaardigen van een rotor en rotor verkregen met zulke werkwijze kunnen op velerlei wijzen worden verwezenlijkt, zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (19)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een rotor, waarbij deze werkwijze de volgende stappen omvat: - het voorzien van een nagenoeg cilindrische rotoras (6) ; - het voorzien van een conisch gedeelte (7) aan een uiteinde van de voornoemde rotoras (6); - het voorzien van een magneetring (1) met een binnenste en een buitenste nagenoeg ringvormige band (2, respectievelijk 3) waartussen een aantal, al dan niet op voorhand gemagnetiseerde permanente magneten (4) zijn ingebed; en het, over het conisch gedeelte (7) en met een perspassing, op de rotoras (6) schuiven van de magneetring (1), ter vorming van een rotor.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de binnenste en/of de buitenste band (2 en/of 3) wordt uitgevoerd in een polymeer of een vezelversterkt polymeermateriaal.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat voor het vormen van de voornoemde magneetring (1) gebruik wordt gemaakt van permanente magneten (4) die zijn voorzien van een beschermende coating.

4. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de magneten (4) niet gemagnetiseerd zijn alvorens deze in te bedden tussen de voornoemde binnenste en buitenste band (2 en 3).

5. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de magneten (4) worden gemagnetiseerd nadat deze zijn ingebed tussen de voornoemde binnenste en buitenste band (2 en 3).

6. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat meerdere magneetringen (1 en 1') op de rotoras (6) worden geschoven en dat de positionering van deze magneetringen (1 en 1') zodanig is dat er een axiale (x) afstand aanwezig is tussen de magneten (4) van naast elkaar geplaatste magneetringen (1 en 1').

7. Werkwijze volgens conclusie 6, daardoor gekenmerkt dat de axiale lengte (1) van de magneten (4) kleiner is dan de axiale lengte (L) van de binnenste en/of de buitenste band (2 en/of 3).

8. Werkwijze volgens conclusie 6, daardoor gekenmerkt dat minstens twee naast elkaar gelegen magneetringen (1 en 1') zodanig op de rotoras (6) worden aangebracht dat zij een hoekverdraaiing vertonen ten opzichte van elkaar.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde hoekverdraaiing zodanig is dat de magneten (4) van elke twee naast elkaar voorziene magneetringen (1 en 1') verdraaid zijn ten opzichte van elkaar over een afstand die nagenoeg gelijk is aan de halve breedte (b) van een magneet (4) .

10. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat langs weerszijden van de voornoemde magneetring (1) of van het geheel van magneetringen (1 en 1') dat rond de rotoras (6) is voorzien, een zijring (11) wordt voorzien.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, daardoor gekenmerkt dat één van de voornoemde zij ringen (11) wordt gevormd door een kraag die deel uitmaakt van de rotoras (6).

12. Rotor die wordt verkregen met een werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat deze rotor bestaat uit een rotoras (6) waarrond een magneetring (1) is gemonteerd door middel van een perspassing, welke magneetring (1) in hoofdzaak is opgebouwd uit een binnenste en een buitenste nagenoeg ringvormige band (2, respectievelijk 3) en een aantal permanente magneten (4) die zijn ingebed tussen de voornoemde binnenste en buitenste band (2 en 3).

13. Rotor volgens conclusie 12, daardoor gekenmerkt dat hij is voorzien van meerdere magneetringen (1 en 1') die zodanig op de rotoras (6) gepositioneerd zijn dat de magneten (4) van twee naast elkaar gelegen magneetringen (1 en 1') zich op een axiale afstand (x) bevinden van elkaar.

14. Rotor volgens conclusie 13, daardoor gekenmerkt dat minstens twee naast elkaar gelegen magneetringen (1 en 1') een hoekverdraaiing vertonen ten opzichte van elkaar.

15. Rotor volgens conclusie 14, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde hoekverdraaiing zodanig is dat de magneten (4) van elke twee naast elkaar voorziene magneetringen (1 en 1') verdraaid zijn ten opzichte van elkaar over een afstand die nagenoeg gelijk is aan de halve breedte (b) van een magneet (4) .

16. Magneetring die kan worden toegepast in een werkwijze volgens één van de conclusies 1 tot 11, daardoor gekenmerkt dat deze magneetring (1) in hoofdzaak is opgebouwd uit een binnenste band (2) en een buitenste band (3) waartussen een aantal permanente magneten (4) zijn ingebed.

17. Magneetring volgens conclusie 16, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde binnenste en/of buitenste band (2 en/of 3) is uitgevoerd in een polymeer of een vezelver sterkt polymeermateriaal.

18. Magneetring volgens conclusie 16 of 17, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde permanente magneten (4) zijn voorzien van een elektrisch geleidende coating.

19. Magneetring volgens één van de conclusies 16 tot 18, daardoor gekenmerkt dat de axiale lengte (1) van de magneten (4) kleiner is dan de axiale lengte (L) van de binnenste en/of de buitenste band (2 en/of 3).