DE10055079C1 - Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Linearmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) für eine elektrische Linearmaschine angegeben, der aus einer Mehrzahl von Statoreinheiten (101-104) besteht, die jeweils mehrere, um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole (21) und eine gleiche Anzahl von mit wechselnder Polarität auf aufeinanderfolgenden Statorpolen (21) befestigten Permanentmagneten (22) aufweisen und axial so aneinandergefügt sind, daß auf in Axialrichtung miteinander fluchtenden Statorpolen (21) der Statoreinheiten (101-104) Permanentmagnete (22) mit wechselnder Polarität nebeneinanderliegen. Zwecks serienmäßiger und kostengünstiger Fertigung des Stators (10) werden die Statoreinheiten (101-104) getrennt voneinander komplett mit Permanentmagnetbestückung und -magnetisierung vorgefertigt und zum Stator (10) zusammengesetzt (Fig. 3).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Linearmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer bekannten elektrischen Linearmaschine dieser Art (US 5 654 596, Fig. 1A bis 3A) hat der aus Blechstanzprofilen lamelliert aufgebaute Stator vier in Achsrichtung nebeneinander angeordnete Statoreinheiten mit jeweils vier in Umfangsrichtung um gleiche Winkel versetzten Statorpolen. In jeder Statoreinheit ist auf der freien Stirnfläche der Statorpole ein schalensegmentförmiger Permanentmagnet angeordnet. Die Permanentmagnete der in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpole in jeder Statoreinheit weisen wechselnde Polarität, also Nord-Süd-Nord-Süd-Polarität auf. Die auf axial fluchtenden Polen der vier Statoreinheiten nebeneinanderliegenden Permanentmagnete besitzen ebenfalls in Axialrichtung aufeinanderfolgend wechselnde Polarität. Auf jeweils vier in Achsrichtung fluchtenden Statorpolen ist eine Spule der Statorwicklung aufgewickelt. Die schalensegmentförmigen Permanentmagnete werden im Stator auf die ebenfalls schalenförmigen oder zylindermantelsegmentförmigen Stirnflächen der radial vom Rückschlußjoch abstehenden Statorpole aufgeklebt. Bei der Fertigung ist es jedoch sehr aufwendig, die stark magnetisierten Permanentmagnete in die toleranzgenaue Position zu bringen.

Für die Qualität des Lineargenerators ist die Ausbildung des Luftspalts zwischen den Permanentmagneten und dem im Innern des Stators axial hin- und herbewegten Oszillator, auch als Mover bezeichnet, entscheidend. Nach dem Zusammenbau des Lineargenerators muß dieser Luftspalt, der typischer Weise 300 µm beträgt, überall am Umfang des Oszillators konstant sein, da ansonsten unerwünschte Seitenkräfte auftreten. Die hierzu erforderliche, nachträgliche mechanische Bearbeitung an den Permanentmagneten verlangt spezielle Werkzeuge, wodurch sich zusätzliche Fertigungskosten ergeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der Stator des Lineargenerators mit höherer Genauigkeit, serienmäßig und kostengünstig gefertigt werden kann. Durch die Vorfertigung der Statoreinheiten, einschließlich des Besatzes mit Permanentmagneten und deren Magnetisierung, wird einerseits die mechanische Bearbeitung der in den Statoreinheiten vorhandenen Permanentmagnete vor dem Magnetisierungsprozeß vereinfacht, so daß sich die Luftspaltbreite sehr exakt konstant halten läßt. Nach Zusammenbau sind damit die unerwünschten Seitenkräfte am Oszillator minimiert. Durch die Magnetisierung der einzelnen Statoreinheiten vor ihrer Zusammensetzung zu dem Stator werden darüber hinaus neutrale Zonen zwischen den in Richtung der Statorachse nebeneinander liegenden Nord- und Südpolen, auch Totzonen genannt, vermieden. Diese Totzonen könnten dagegen bei der Magnetisierung des kompletten Stators entstehen, da bei der Magnetisierung der im Stator dicht nebeneinanderliegenden Permanentmagnete wechselnder Polarisation diese sich im Grenzbereich nur unvollständig magnetisieren lassen. Bei der Magnetisierung der einzelnen Statoreinheiten werden dagegen die Permanetmagnete vollständig magnetisiert, so daß auch die durch die Totzonen verursachten Werkstoff- und Leistungsverluste der Linearmaschine vermieden werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die noch unmagnetisierten Permanentmagnete auf den Stirnseiten der Statorpole befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, und anschließend mit der entsprechenden Polarisation magnetisiert. Dies hat den Vorteil, daß die unmagnetisierten Permanentmagnete, sog. Rohlinge, sehr viel einfacher in die toleranzgenaue Position am Statorpol gebracht werden können als stark magnetisierte Permanentmagnete, so daß eine Nachbearbeitung der Rohlinge auf ein Minimum reduziert werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird jeder Permanentmagnet aus mehreren, kleinen, vorzugsweise rechteckigen Segmenten zusammengesetzt. Dies bringt insbesondere bei Permanentmagneten höhere Energiedichte, wie z. B. bei Nd-Fe-B-Magneten, einen Fertigungsvorteil, da diese Permanentmagnete vorteilhaft in eine geeignete Form gepreßt, dann gesintert und von einem gesinterten Block zurechtgeschnitten werden können. Die rechteckige Form ist für eine automatische Fertigung besonders einfach und kostengünstig. Diese rechteckförmigen Magnetsegmente werden auf die Stirnflächen der Statorpole aufgeklebt, und durch entsprechende mechanische Bearbeitung der von den Statorpolen abgekehrten Oberseite der Permanentmagnete wird der erforderliche Luftspalt zum Oszillator hergestellt. Die Magnetisierung erfolgt dann nach abgeschlossener mechanischer Bearbeitung. Dem Magnetisierungsprozeß wird in vorteilhafter Weise ein Reinigungsprozeß vorgeschaltet, der Bearbeitungsrückstände vollständig entfernt.

Eine elektrische Linearmaschine mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Stator ist in Anspruch 9 angegeben.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Lineargenerators,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der vier voneinander getrennten Statoreinheiten des Lineargenerators in Fig. 2 ohne Statorwicklung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 in Stirnansicht und in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Lineargenerator als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine elektrische Linearmaschine weist in bekannter Weise einen hohlzylindrischen Stator 10 und einen im Innern des Stators 10 angeordneten Oszillator 11, auch Mover genannt, auf, der eine oszillierende Linearbewegung in Achsrichtung 12 des Stators 10 ausführt und hierzu z. B. von einem Stirling-Motor antreibbar ist. Der Oszillator 11 besteht aus zwei zylindrischen Eisenblechpaketen 13, 14, die durch Bolzen 15 voneinander auf Abstand gehalten und axial verschieblich auf einer Schub- oder Antriebsstange 16 befestigt sind. Die beiden Eisenblechpakete 13, 14 sind stirnseitig durch Endkappen 17, 18 abgedeckt, die auch der nicht dargestellten Führung des Oszillators 11 im Stator 10 dienen.

Der hohlzylindrische Stator 10 weist mehrere, im Ausführungsbeispiel vier, identisch ausgebildete Statoreinheiten 101, 102, 103, 104 auf, die längs der Statorachse 12 nebeneinander angeordnet und nach Drehung um 90° gegeneinander miteinander verbunden sind. Jede Statoreinheit 101 besitzt einen Statorkörper 19 mit einem Rückschlußring 20 aus ferromagnetischem Material und damit einstückigen, radial nach Innen abstehenden, ausgeprägten Statorpolen 21. Die Statorpole 21 sind um gleiche Umfangswinkel zueinander am Rückschlußring 20 versetzt angeordnet, im Ausführungsbeispiel also um 90°. Die Statorkörper 19 mit Rückschlußring 20 und Statorpolen 21 sind einstückig lamelliert ausgeführt und werden jeweils von einem Paket von aneinandergefügten Blechstanzprofilen gebildet, die z. B. durch Preßstanzen fest miteinander verbunden sind und jeweils eine eigenständig handhabbare Baueinheit bilden. Auf den dem Oszillator 11 zugekehrten freien Stirnflächen der Statorpole 21 in jeder Statoreinheit 101-104 sind Permanentmagnete 22 befestigt, die mit dem Umfang der Eisenblechpakete 13, 14 des Oszillators 11 einen definierten Luftspalt von beispielsweise 300 µm begrenzen. Die Permanetmagnete 22 auf den aufeinanderfolgenden Statorpolen 21 in jeder Statoreinheit 101-104 haben wechselnde Polarität, also in Reihenfolge der Statorpole 21 Nord-Süd- Nord-Süd. Die Statorkörper 19 sind bei ihrer axialen Anordnung gegeneinander um jeweils 90° um die Statorachse verdreht und durch Bolzen 25 axial fest miteinander verbunden. Dadurch liegen auf in Axialrichtung miteinander fluchtenden Statorpolen 21 der Statoreinheiten 101-104 Permanetmagnete 22 mit wechselnder Polarität nebeneinander. Wie in Fig. 2 mit N und S für Nord- und Südpolarisation illustriert ist, weisen somit die Permanentmagnete 22 auf den miteinander fluchtenden oberen Statorpolen 21 in der Statoreinheit 101 Nord-, in der Statoreinheit 102 Süd in der Statoreinheit 103 Nord- und in der Statoreinheit 104 Süd- Polarität, dagegen die Permanentmagnete 22 auf den benachbarten miteinander fluchtenden Statorpolen 21 S-N-S-N- Polarität auf. Über alle miteinander fluchtenden Statorpolen 21 der Statoreinheiten 101 und 104 hinweg ist jeweils eine Spule 23 einer Statorwicklung 24 aufgewickelt, so daß die einphasig ausgeführte Statorwicklung 24 insgesamt vier Spulen 23 besitzt.

Der wie vorstehend beschrieben aufgebaute Stator 10 wird serienmäßig in der Weise gefertigt, daß die Statoreinheiten 101-104 getrennt voneinander komplett mit Bestückung und Magnetisierung der Permanentmagnete 22 vorgefertigt und dann zum Stator 10 zusammengesetzt werden. Die vier komplett vorgefertigten Statoreinheiten 101-104 sind in Fig. 3 perspektivisch dargestellt. Jeder Statorkörper 19 wird aus einer entsprechenden Zahl von Blechstanzprofilen zusammengesetzt, wobei die Blechstanzprofile z. B. durch Preßstanzen fest zu dem Statorkörper 19 miteinander verbunden werden. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, werden Permanentmagnete 22 mit höherer Energiedichte verwendet. Bei der Fertigung der Permanentmagnete 22 wird beispielsweise magnetisches Pulver (Nd-Fe-B) gepreßt und dann gesintert. Dabei kann entweder die Form des einzelnen Permanentmagneten 22 schon vorgegeben werden oder aber die Permanentmagnete 22 von einem gesinterten Block abgeschnitten werden. Für die Fertigung solcher unmagnetisierter Rohlinge aus magnetischem Material ist die rechteckige Form einfach und kostengünstig.

Daher werden die einzelnen Permanentmagnete 22 vorzugsweise aus mehreren, kleinen, rechteckigen Segmenten 221 zusammengesetzt, wie dies in Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Diese Segmente 221 werden auf die freie Stirnfläche der einzelnen Statorpole 21 aufgeklebt. Alternativ ist es möglich, jeden Permanentmagnet 22 auf den Statorpolen 21 auch mit einer an die Abmessungen der Stirnfläche der Statorpole 21 angepaßten Form herzustellen und als Ganzes auf die Statorpole 21 aufzukleben. Da die Rohlinge noch nicht magnetisiert sind, ist eine exakte Positionierung der Permanentmagnete 22 auf den Statorpolen 21 problemlos möglich.

Nach Aufkleben der Rohlinge auf die Statorpole 21 folgt die mechanische Bearbeitung des inneren Durchmessers der Statoreinheiten 101-104, um eine konstante Luftspaltbreite für den bewegten Oszillator 11 zu gewährleisten. Nach einem Reinigungsprozeß werden dann die einzelnen Statoreinheiten 101-104 getrennt voneinander magnetisiert, wobei die Permanentmagnete 22 auf aufeinanderfolgenden Statorpolen 21 eine sich abwechselnde Magnetisierung erfahren, so daß sie die in Fig. 3 mit N und S eingezeichnete Polarität besitzen. Nunmehr werden die vier Statoreinheiten 101-104 um 90° gegenüber der jeweils benachbarten Statoreinheit gedreht, aneinandergesetzt. Die in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Permanentmagnete 22 auf den miteinander fluchten Statorpolen 21 aller Statoreinheiten 101-104 besitzt damit eine wechselnde Polarisationsrichtung. Die solchermaßen ausgerichteten Statoreinheiten 101-104 werden über die die Statorkörper 19 im Bereich der Rückschlußringe 20 durchziehenden Bolzen 25 fest miteinander verbunden und bilden in ihrer Gesamtheit den Stator 10, der nunmehr noch mit der Statorwicklung 24 bewickelt wird, wobei die einzelnen Spulen 23 jeweils auf die miteinander fluchtenden Statorpole 21 aufgewickelt werden, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die Anzahl der Statorpole 21 mehr oder weniger als vier betragen. Ist m die Anzahl der Statorpole 21, wobei m eine ganze Zahl größer 1 ist, so wird beim Zusammensetzen der Statoreinheiten 101- 104 die folgende Statoreinheit gegenüber der vorausgehenden Statoreinheit immer um 360°/m gedreht. Auch die Anzahl der in Achsrichtung aneinandergesetzten Statoreinheiten ist beliebig, aber immer geradzahlig. Der Oszillator 11 muß dann entsprechend angepaßt werden, und wird beispielsweise bei sechs Statoreinheiten mit drei Eisenblechpakten und bei zwei Statoreinheiten mit einem Eisenblechpaket ausgeführt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) für eine elektrische Linearmaschine mit einer Mehrzahl von Statoreinheiten (101-104), die jeweils mehrere, um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole (21) und eine gleiche Anzahl von mit wechselnder Polarität auf aufeinanderfolgenden Statorpolen (21) befestigten Permanentmagneten (22) aufweisen und axial so aneinandergefügt sind, daß auf in Axialrichtung miteinander fluchtenden Statorpolen (21) der Statoreinheiten (101-104) Permanentmagnete (22) mit wechselnder Polarität nebeneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoreinheiten (101-104) getrennt voneinander komplett mit Permanentmagnetbestückung und -magnetisierung vorgefertigt und zum Stator (10) zusammengesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Statoreinheit (101-104) ein aus Profilblechen zusammengesetzter Statorkörper (19) hergestellt wird, der einen Rückschlußring (20) und die damit einstückigen, vom Rückschlußring (20) radial nach Innen abstrebenden Statorpole (21) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unmagnetisierten Permanentmagnete (22) auf den Stirnseiten der Statorpole (21) befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, und anschließend mit an aufeinanderfolgenden Statorpolen (21) wechselnder Polarisation magnetisiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Statorpolen (21) befestigten Permanentmagnete (22) vor ihrer Magnetisierung zur Einhaltung von Abmessungstoleranzen, vorzugsweise mechanisch, bearbeitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (22) aus mehreren, kleinen, vorzugsweise rechteckigen Segmenten (221) zusammengesetzt werden.

6. Verfähren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Permanentmagnete (22) bei der Befestigung auf den Statorpolen (21) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Permanentmagneten (22) bestückten Statorkörper (19) vor der Magnetisierung der Permanentmagnete (22) einem Reinigungsprozeß unterzogen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zusammensetzung der Statoreinheiten (101-104) auf die jeweils in Axialrichtung miteinander fluchtenden, den verschiedenen Statoreinheiten (101-104) zugehörigen Statorpole (21) eine Spule (23) einer einphasigen Statorwicklung (24) aufgewickelt wird.

9. Elektrische Linearmaschine mit einem Stator (10), der aus einer Mehrzahl von Statoreinheiten (101-104) besteht, die jeweils mehrere, um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole (21) und eine gleiche Anzahl von mit wechselnder Polarität auf aufeinanderfolgenden Statorpolen (21) befestigten Permanentmagneten (22) aufweisen und axial so aneinandergefügt sind, daß auf in Axialrichtung miteinander fluchtenden Statorpolen (21) der Statoreinheiten (101-104) Permanentmagnete (22) mit wechselnder Polarität nebeneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statoreinheit (101-104) einen eigenen, mit den Permanentmagneten (22) bestückten Statorkörper (19) aufweist und daß die Statorkörper (19) gegeneinander um 360°/m gedreht und fest miteinander verbunden sind, wobei m der Anzahl der Statorpole (21) pro Statoreinheit (101-104) entspricht.

10. Linearmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorkörper (19) von einem Blechpaket aus einer Vielzahl von fest miteinander verbundenen Profilblechen gebildet wird.

11. Linearmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (22) aus einer Mehrzahl von kleinen, vorzugsweise rechteckigen Segmenten (221) zusammengesetzt sind.

12. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Verbindung der Statorkörper (19) durch die axial durchdringende Bolzen (25) vorgenommen ist.