DE10143253A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Reluktanzmotor und dadurch hergestellter Rotor - Google Patents

Abstract

Reluktanzrotor und Verfahren zur Herstellung von Reluktanzrotoren mit weichmagnetischen Bereichen und Bereichen mit magnetischen Eigenschaften, die von denjenigen des weichmagnetischen Bereiches verschieden sind, um so eine Flußbarriere zu erzeugen. Das Verfahren umfaßt allgemein die Herstellung eines Magnetkörpers mit einer Zentralachse und einer äußeren Umfangsfläche. Dr Körper umfaßt konzentrische Bereiche, von denen zumindest einer ein weichmagnetischer Bereich ist, während zumindest ein zweiter Bereich der konzentrischen Bereiche aus einem Material mit im Vergleich zu dem weichmagnetischen Bereich verschiedenen magnetischen Eigenschaften geformt ist. Nach der Formung wird der Körper entlang von Radiuslinien desselben geteilt, um keilförmige Elemente zu formen, wobei jedes keilförmige Element koaxiale bogenförmige Bereiche aufweist, die Abschnitte der konzentrischen Bereiche des Körpers darstellen. Als Ergebnis der Art und Weise, wie der Körper geteilt ist, weisen die keilförmigen Elemente radiale Flächen auf, die definiert sind, wo die keilförmigen Elemente von dem Körper getrennt wurden, und jedes der keilförmigen Elemente weist auch eine distale Fläche entsprechend der äußeren Umfangsfläche des Körpers auf. Die keilförmigen Elemente werden anschließend um eine Symmetrieachse, die der Rotationsachse des Rotors entspricht, angeordnet, wobei die distalen Flächen der keilförmigen Elemente benachbart der Symmetrieachse angeordnet sind und zueinander weisen und wobei ...

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein sich drehende, elektromagneti­ sche Komponenten, wie beispielsweise Rotoren für Motoren und Generato­ ren. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Massenher­ stellung von Rotoren für Reluktanzmotoren mit weichmagnetischen Berei­ chen, die durch hartmagnetische (permanentmagnetische), weichmagneti­ sche oder nichtmagnetische (nichtferromagnetische) Bereiche getrennt sind, die als Flußbarrieren für die weichmagnetischen Bereiche dienen.

Hintergrund der Erfindung

Synchron-Reluktanzmotoren stellen mit Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad eine bevorzugte Alternative gegenüber Elektromotoren und Generatoren vom Induktanztyp dar. Während der Stator eines Reluktanz­ motors ähnlich demjenigen eines Induktionsmotors ist, ist dessen Rotor erheblich komplexer und erfordert zwei Achsen mit sich breit unterschei­ dender, magnetischer Reluktanz. Zu diesem Zweck werden Reluktanzroto­ ren oftmals so ausgebildet, daß sie an oder nahe ihrem Umfang abwech­ selnde Bereiche von Weichmagnetmaterial und entweder Nichtmagnet­ material oder magnetisiertem Hartmagnetmaterial aufweisen. Es sind ver­ schiedene Verfahren zur Herstellung von Reluktanzrotoren vorgeschlagen worden, wobei radial laminierte Kerne, die aus dünnen Weicheisentafeln gebildet sind, das typische Verfahren darstellen. Jedoch haben sich diese Radial-Laminierungsverfahren infolge des Arbeitsaufwands des Laminie­ rungsprozesses wie auch anderer Prozeßkomplexitäten und -komplika­ tionen zur Massenherstellung als ungeeignet erwiesen. Infolge der Kom­ plexität von Reluktanzrotoren hat sich herausgestellt, daß herkömmliche Pulvermetallurgieverfahren allgemein für eine Massenherstellung unprak­ tisch sind. Ferner besaßen Reluktanzrotoren, die durch Pulvermetallurgie hergestellt wurden, mit niedrigen Kernverlusten typischerweise eine man­ gelnde, ausreichende Festigkeit, um bei hohen Drehzahlen arbeiten zu können.

Angesichts des obigen besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Her­ stellungsprozeß, der die Massenproduktion von Reluktanzrotoren ermög­ licht.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf Reluktanzrotoren und ein Verfahren zur Herstellung von Reluktanzrotoren mit Weichmagnetbereichen gerichtet, die durch Bereiche getrennt sind, die als Flußbarrieren für die Weichma­ gnetbereiche dienen. Das Verfahren dieser Erfindung umfaßt allgemein die Herstellung eines allgemein zylindrisch geformten Körpers mit einer Zen­ tralachse und einer äußeren Umfangsfläche. Der Körper besteht aus kon­ zentrischen Bereichen, von denen zumindest einer ein weichmagnetischer Bereich ist, während zumindest ein zweiter Bereich der konzentrischen Bereiche aus einem Material mit im Vergleich zu dem weichmagnetischen Bereich verschiedenen, magnetischen Eigenschaften besteht, wie bei­ spielsweise hartmagnetische (permanentmagnetische) Materialien, weichmagnetische oder nichtmagnetische (nichtferromagnetische) Mate­ rialien. Einige oder alle der konzentrischen Bereiche können durch Pul­ vermetallurgietechniken hergestellt werden. Nach der Formung wird der Körper entlang von Radiuslinien desselben geteilt, um keilförmige Ele­ mente zu bilden, wobei jedes keilförmige Element koaxiale bogenförmige Bereiche aufweist, die Abschnitte der konzentrischen Bereiche des Kör­ pers sind. Als Ergebnis der Art und Weise, wie der Körper geteilt wird, weisen die keilförmigen Elemente radiale Flächen auf, die definiert sind, wo die keilförmigen Elemente von dem Körper getrennt wurden, und jedes keilförmige Element weist auch eine distale Fläche auf, die der äußeren Umfangsfläche des Körpers entspricht. Die keilförmigen Elemente werden anschließend um eine Symmetrieachse angeordnet, die der Rotationsach­ se des Rotors entspricht, wobei die distalen Flächen der keilförmigen Ele­ mente benachbart der Symmetrieachse angeordnet sind und zueinander weisen, und wobei die radialen Flächen der keilförmigen Elemente von der Symmetrieachse weg weisen. Die keilförmigen Elemente werden anschlie­ ßend miteinander verbunden und gegebenenfalls bearbeitet, um den Rotor des Reluktanzmotors zu bilden.

Angesichts des obigen kann gesehen werden, daß der Prozeß dieser Erfin­ dung einen Reluktanzrotor ohne einen komplizierten Radial-Laminier­ ungsprozeß unter Verwendung von Tafeln verschiedener Materialien er­ zeugt. Stattdessen wird der Rotor dieser Erfindung durch Wiederzusam­ menbauen keilförmiger Elemente hergestellt, die aus einem vorgeformten Körper geschnitten werden, der vorzugsweise alle magnetischen Kompo­ nenten des Rotors umfaßt. Bemerkenswerterweise umfaßt der Prozeß die­ ser Erfindung weniger Schritte, als durch die Radial-Laminierungsver­ fahren nach dem Stand der Technik erforderlich sind, und verringert die Menge an Abfall und Bearbeitungsaufwand erheblich, die/der oftmals erforderlich wird, nachdem der Rotor zusammengebaut worden ist. Das Verfahren dieser Erfindung bietet auch die Vorteile niedriger Produktions­ kosten durch Beseitigung von Stanzmatrizen, und ist in der Lage, Ro­ toranordnungen mit niedrigerem Gewicht herzustellen, als es bei lami­ nierten Anordnungen nach dem Stand der Technik der Fall ist. Anwen­ dungen, bei denen einzelne Partikel des Pulvers oder der Pulver mit einem Einkapselungsmaterial isoliert sind, haben niedrigere Eisenverluste zur Folge, was niedrigere Rotortemperaturen, einen verbesserten Wirkungs­ grad von Motor/Generator und verringerte Kühlanforderungen zur Folge hat. Das Ergebnis ist ein Verfahren, das für die Massenherstellung von Reluktanzrotoren geeignet ist.

Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung offensichtlicher:

Zeichnungskurzbeschreibung

Fig. 1 ist eine Stirnansicht eines Reluktanzmotors im Schnitt mit einem Rotor, der durch das Verfahren der Erfindung herge­ stellt ist;

Fig. 2 ist eine Schnittseitenansicht des Rotors von Fig. 1;

Fig. 3 und 4 zeigen Verfahrensschritte zur Herstellung des Rotors von Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 5 zeigt einen Verfahrensschritt zur Herstellung des Rotors von Fig. 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform dieser Er­ findung;

Fig. 6 und 7 zeigen weitere Schritte, die ausgeführt werden, um den Rotor von Fig. 1 gemäß dieser Erfindung herzustellen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 stellt einen Reluktanzmotor 10, ausgerüstet mit einem Rotor 12, dar, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Motor 10 um­ faßt einen Stator 14, der allgemein von einem Typ sein kann, der in der Technik herkömmlich und bekannt ist. Der Stator 14 ist mit Schlitzen ge­ zeigt, die Kupferleiter 16 umfassen, welche die Statorwicklung bilden. Der Rotor 12 dieser Erfindung umfaßt allgemein eine Zentralwelle 18 und mehrere bogenförmige Bereiche 20 und 22, die die erforderlichen, abwech­ selnden Bereiche unterschiedlicher, magnetischer Eigenschaften um den Umfang des Rotors 12 definieren. Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, sind die bogenförmigen Bereiche 20 und 22 jeweils aus einem ferro­ magnetischen Material und einem zweiten Material geformt, dessen ma­ gnetische Eigenschaften sich von denen des ferromagnetischen Materials unterscheiden. Die ferromagnetischen Bereiche 20 bestehen vorzugsweise aus einem verdichteten, weichmagnetischen Pulver. Die Bereiche 22 beste­ hen aus einem nichtferromagnetischen Material oder einem Magnetmate­ rial, das in einer Richtung magnetisiert worden ist, um eine Flußbarriere zu bilden. Die Bereiche 22 wirken, wenn sie aus einem nichtferromagneti­ schen Material hergestellt sind, als Isolatoren zwischen den Magnetfluß­ wegen des Rotors 12. Wenn ein Magnetmaterial, vorzugsweise ein Perma­ nentmagnetmaterial verwendet ist, dienen die Bereiche 22 dazu, den durch den Rotor 12 erzeugten Magnetfluß wirksam zu lenken. Die allge­ meine Bestimmung der Ausbildung der Bereiche 22 aus mehreren Lagen besteht darin, eine Barriere für den Fluß zu erzeugen und jeglichen Fluß in der Querachse (quadrature axis) zu behindern, wodurch die Quer­ feldreaktanz (quadrature axis reactance) des Rotors 12 minimiert und da­ durch die Leistungsfähigkeit der Synchronreluktanzmaschine erheblich verbessert wird. Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, sind verschie­ dene Prozeß- und Materialalternativen für die nichtferromagnetischen und magnetischen Materialien möglich, die dazu verwendet werden können, um die Bereiche 22 zu bilden.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, werden die bogenförmigen Bereiche 20 und 22 ur­ sprünglich innerhalb von Sektoren 26 geformt, die von einem zylindrisch geformten Körper 28 getrennt werden. In Fig. 6 sind drei Sektoren 26 von dem Körper 28 getrennt gezeigt, während in Fig. 1 vier Sektoren 26 so ge­ zeigt sind, daß sie dazu verwendet werden können, den Rotor 12 zu bil­ den, wodurch angegeben wird, daß mehr als ein Körper 28 verwendet worden ist, um den Rotor 12 zu bilden. Die Sektoren 26 sind in Fig. 7 an einem Gestell (cradle) 24 zusammengebaut gezeigt, um den Rotor 12 zu erhalten, der in Fig. 1 gezeigt ist.

Gemäß dieser Erfindung ist der Körper 28 vorzugsweise zumindest teil­ weise durch Pulvermetallurgie geformt. Ein erstes Verfahren zur Herstel­ lung des zylindrischen Körpers 28 ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt, bei de­ nen Pulvermetallurgie verwendet wird, um sowohl Bereiche 20 als auch 22 des Rotors 12 zu formen. In Fig. 3 wird ein Pulver 36 aus einem Weichma­ gnetmaterial unter Verwendung eines Druckbehälters 30, eines Dornes (arbor) 32 und Werkzeugs (tooling) 34 verdichtet, um weichmagnetische, rohrförmige Körper zu erzeugen, die zusammengebaut werden, um die weichmagnetischen Bereiche 20 des Rotors 12 zu bilden. Geeignete Mate­ rialien für die Weichmagnetbereiche 20 umfassen Eisen und dessen Legie­ rungen; Nickel und dessen Legierungen; Kobalt und dessen Legierungen; Eisen-Silizium-Legierungen; Eisen-Phosphor-Legierungen; Eisen-Silizium- Aluminium-Legierungen; Ferrite und magnetische Legierungen aus rost­ freiem Stahl. Ein geeigneter, durchschnittlicher Partikelgrößenbereich für das Pulver 36 liegt allgemein bei etwa 5 bis etwa 1000 Mikrometer, wobei eine bevorzugte Durchschnittsgröße bei etwa 100 bis 200 Mikrometer liegt. Um eine Verarbeitung zu erleichtern und die Dichte nach einer Ver­ dichtung zu maximieren, sind die einzelnen Partikel des Pulvers 36 vor­ zugsweise mit einem Polymer-Beschichtungsmaterial eingekapselt. Bei ei­ ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Einkapselungs­ material ein permanenter Bestandteil des Rotors 12, der dazu dient, die Pulverpartikel miteinander zu verkleben und eine isolierende Lage zu bil­ den, um die Wirbelströme innerhalb der einzelnen Partikel zu halten. Ge­ eignete Materialien zu diesem Zweck umfassen Polyalkylencarbonate, Po­ lyphenylenoxid-(PPO)-Polymersysteme, wie beispielsweise NORYL® von General Electric, Nylon; Polyetherimide, wie beispielsweise ULTEM® von General Electric; Fluorkohlenwasserstoffpolymere (Fluorcarbonpolymere), wie beispielsweise TEFLON®; Acryle; Epoxyde; Phenole; Polyester und Sili­ cone. Andere mögliche Isolationsmaterialien umfassen Keramik und Me­ talloxide, wie beispielsweise Eisenoxid. Das Einkapselungsmaterial wird vorzugsweise auf den Pulverpartikeln abgeschieden, um eine im wesentli­ chen gleichförmige Beschichtungslage zu bilden, die etwa 0,05 bis etwa 1 Gewichtsprozent jedes Partikels und vorzugsweise 0,10 bis etwa 0,50 Ge­ wichtsprozent jedes Partikels ausmachen kann. Um die Dichten weiter zu steigern und das Erfordernis für Sprühschmiermittel für die Außenwand der Matrize zu beseitigen, kann das Pulver mit Schmiermitteln gemischt sein, wie beispielsweise Stearaten, Fluorkohlenwasserstoffen, Wachsen, niedrig-schmelzenden Polymeren und synthetischen Wachsen, wie bei­ spielsweise ACRAWAX, das von Lonza, Inc. erhältlich ist. Geeignete Ver­ fahren zur Einkapselung der Pulver sind gut bekannt und umfassen ein Lösungsmischen, Naßmischen, mechanische Mischtechniken sowie Char­ genbeladungsprozesse vom Wurster-Typ, wie beispielsweise diejenigen, die in den U.S.-Patenten 2,648,609 und 3,253,994 beschrieben sind.

Der Dorn 32 und das biegsame Werkzeug 34 sind in Fig. 3, einen ringför­ migen Hohlraum definierend, gezeigt, in welchen das Pulver 36 gefüllt worden ist. In dem Hohlraum ist auch ein Gitter (Geflecht, Gewebe (mesh)) 38 gezeigt, das als Verstärkung für den Rotor 12 dient und die Drehzahlen unterstützt, die mit dem Rotor 12 möglich sind. Optional oder alternativ dazu kann ein nichtleitendes Faserverstärkungsmaterial in dem Pulver 36 dispergiert (verteilt) sein. Geeignete Materialien für das Gitter 38 und/oder die nichtleitende Faserverstärkung umfassen Glasfaser und Aramid­ fasern. Mit der Spannvorrichtung 30 von Fig. 3 wird eine Verdichtung des Pulvers 36 mit einem druckübertragenden Fluid 40 erreicht, das in einer Membran 42 enthalten ist, die über die gesamte Außenfläche des Werk­ zeugs 34 einen gleichförmigen Druck aufbringt. Unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung sind Verdichtungslasten von etwa 50 bis 100 ksi (etwa 386 bis etwa 772 MPa) zur Verdichtung des Weichmagnetpulvers 36 allgemein geeignet, um eine hochdichten, rohrförmigen Körper zu for­ men. Abhängig von den Pulver- und Einkapselungsmaterialien kann eine Verdichtung durch Erhitzung des Pulvers 36 und/oder des Werkzeugs unterstützt werden, wie in der Technik allgemein bekannt ist.

Fig. 4 zeigt einen anderen Schritt in diesem Verfahren, bei dem ein Stahl­ dorn 45 innerhalb eines biegsamen Werkzeugs 46 angeordnet worden ist, um einen zweiten, ringförmigen Hohlraum zu bilden. Der Dorn 45 weist einen Außendurchmesser auf, der so bemessen ist, um den Innendurch­ messer eines rohrförmigen Körpers zu bilden, der als einer der Magnetbe­ reiche 22 des Rotors 12 dient. Ein Pulver 48 ist in den Hohlraum gefüllt und verdichtet gezeigt, um den rohrförmigen Körper zu bilden. Diese Formanordnung kann auf dieselbe Art und Weise verdichtet werden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben ist. Zusätzliche Bereiche 20 und 22, die für den Rotor 12 von Fig. 1 erforderlich sind, können auf dieselbe Art und Weise mit beispielsweise größeren Dornen und biegsamem Werk­ zeug geformt werden, um rohrförmige Körper zu erzeugen, die im zusam­ mengebauten Zustand zusammen den zylindrischen Körper 28 bilden, der in Fig. 6 gezeigt ist.

Das gewünschte Material für das Pulver 48, das in Fig. 4 verwendet ist, hängt von der bestimmten Anwendung für den Rotor 12 ab. Gemäß dieser Erfindung kann das Pulver 48 ein nichtferromagnetisches Material oder ein permanentmagnetisches Material (hartmagnetisches Material) oder ein "weich"-magnetisches Material sein. Geeignete, weichmagnetische Materia­ lien umfassen diejenigen, die oben als für die Weichmagnetbereiche 20 geeignet aufgeführt sind. Geeignete, nichtferromagnetische Materialien umfassen Thermoplaste; wärmeausgehärtete Kunststoffe und andere ge­ eignete Materialien dienen als Isolatoren zwischen den magnetischen Flußwegen des Rotors 12. Geeignete, permanentmagnetische Materialien umfassen Alnikos (Legierungen aus Aluminium, Nickel, Kobalt und Eisen), Ferrite, Eisen-Seltenerdmetall-Legierungen, Samariumlegierungen und Keramikmaterialien. Bestimmte elektromagnetische Anwendung erfordern eine Kombination aus Weicheisenmagneten und Hartmagneten bzw. zie­ hen aus diesen ihren Nutzen, wie beispielsweise, wenn Hartmagnete dazu verwendet werden, den Magnetfluß eines Rotors zu blockieren oder zu lenken, damit der Rotor mit höheren Ausgängen wirkungsvoller wird. Ein bekanntes Beispiel eines Permanentmagnetmaterials für derartige Anwen­ dungen basiert auf Zusammensetzungen, die Eisen, ein Seltenerdmetall, wie beispielsweise Neodym und/oder Praseodym und Bor, umfassen. Derartige Permanentmagnete umfassen als eine wesentliche, magnetische Phase Körner aus tetragonalen Kristallen, in welchen die Prozentsätze von Eisen, Neodym und Bor (beispielsweise) durch die empirische Formel Fe₁₄Nd₂B beispielhaft dargestellt sind. Diese magnetischen Zusammenset­ zungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in dem U.S.-Patent Nr. 4,802,931 von Croat, dem U.S.-Patent 4,782,367 von Lee und dem U.S.- Patent 4,842,656 von Maines et al. beschrieben. Bevorzugte, permanent­ magnetische Materialien sind Zusammensetzungen aus Neodym, Eisen und Bor, die von Magnequench International erhältlich sind. Wie in der Technik bekannt ist, sind diese Materialien durch eine amorphe, nichtkri­ stalline, metallurgische Struktur gekennzeichnet und können so verar­ beitet werden, damit diese eine magnetische Anisotropie aufweisen.

Ein alternatives Verfahren zu dem mechanisch/hydraulischen Verdich­ tungsverfahren, das von den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, besteht darin, eine elektromagnetische Verdichtungstechnik zu verwenden, wie bei­ spielsweise die dynamische, magnetische Verdichtung (DMC), die hohe elektromagnetische Kräfte verwendet und in der Lage ist, Dichten von et­ wa 99,5% der theoretischen Dichte zu erreichen. DMC-Verfahren stehen mit einer Spannvorrichtung ähnlich derjenigen von Fig. 4 in Verbindung, wobei aber das äußere Werkzeug aus Kupfer, Aluminium oder einem an­ deren geeigneten, leitfähigen Material besteht. Die Spannvorrichtung, die das zu verdichtende Pulver enthält, wird in einem Flußformer (flux shaper) vom bekannten Typ angeordnet. Anschließend wird eine hohe, elektrische Energie an Primärwicklungen angelegt, die den Flußformer umgeben, wo­ durch ein hoher Strom in dem Flußformer gebildet wird, der Wirbelströme in dem Werkzeug induziert. Dies erzeugt seinerseits ein entgegengesetztes Magnetfeld und legt ein Kraftfeld an, das das Pulver verdichtet. Wie das mechanisch/hydraulische Verdichtungsverfahren der Fig. 3 und 4 kann die elektromagnetische Verdichtung dazu verwendet werden, weich- und hartmagnetische Körper zu erzeugen, die zusammengebaut werden, um den zylindrischer Körper 28 zu erzielen, der gewünschte Anzahlen von Be­ reichen 20 und 22 aufweist.

Ein anderes Verfahren zur Bildung des zylindrischen Körpers 28 ist in Fig. 5 gezeigt, die vier weichmagnetische, rohrförmige Körper 44 mit verschie­ denen Durchmessern zeigt. Die Körper 44 sind durch eines der oben be­ schriebenen, mechanischen und elektromagnetischen Verdichtungsverfah­ ren aus einem verdichteten Weichmagnetpulver geformt und definieren die Weichmagnetbereiche 20 des Rotors 12 in Fig. 1. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind die Körper 44 in einer konzentrischen Anordnung auf einer Basis 52 befestigt, so daß ringförmige Spalte 51 zwischen benachbarten Körpern 44 vorhanden sind. Die Spalten 51 werden dann durch Schwerkraft, vakuu­ munterstützt oder mittels Druck mit einem elektrisch-isolierenden, nicht­ ferromagnetischen Material 50 gefüllt, um die Bereiche 22 des Rotors 12 zu formen. Verstärkungsmaterial, wie beispielsweise Glasfasermatten oder -gewebe, kann in den Spalten 51 vor der Befüllung vorbereitend angeord­ net sein, oder Verstärkungsfasern können mit dem Material 50 vor der Befüllung gemischt werden. Bevorzugte Isolationsmaterialien 50 weisen einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Körper 44 auf, um thermische Zykluseffekte zu minimieren. Geeignete Materialien zu die­ sem Zweck umfassen thermoplastische und wärmeaushärtbare Polymere, wie beispielsweise Epoxide, die mit partikulären oder faserförmigen Füll­ stoffen angereichert oder abgereichert sein können, um den Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten einzustellen. Sobald das Material 50 in den Spalten 51 angeordnet ist, wird dieses typischerweise einem Aushärtzyklus unter­ zogen, der einen festen Verbundkörper mit sowohl weichmagnetischen als auch nichtferromagnetischen Bereichen entsprechend der Bereiche 20 und 22 des Rotors 12 erzielt.

Als andere Alternativen zu den obigen Verfahren können Vorformlinge aus einem Hartmagnetmaterial auf eine geeignete Art und Weise hergestellt und anschließend mit einem nichtmagnetischen Material beschichtet wer­ den, oder ein Pulver aus einem Hartmagnetmaterial kann mit einem Kunststoff-, Polymer- oder anderen geeigneten Material vorher gemischt und dann geformt werden, um einen geeigneten Vorformling zu bilden. Diese Vorformlinge können anschließend mit einem oder mehreren weichmagnetischen, rohrförmigen Körpern zusammengebaut werden, die durch die Verfahren hergestellt sind, die oben (beispielsweise Fig. 3) be­ schrieben sind, um den zylindrischen Körper 28 von Fig. 6 zu erzielen. Die Vorformlinge können vor dem Zusammenbau mit dem Körper oder, nach­ dem der Zusammenbau des Rotors 12 vollständig ist (Fig. 2), magnetisiert werden.

Zylindrische Körper 28, die durch eines der oben beschriebenen Verfahren geformt sind, werden anschließend gemäß den Fig. 6 und 7 weiterbear­ beitet. Fig. 6 ist eine Stirnansicht eines zylindrischen Körpers 28, der an drei mit gleichem Winkel beabstandeten Radiuslinien des Körpers 28 in Sektoren 26 unterteilt worden ist. Bei der Verwendung, um Bereiche 22 zu bilden, kann ein Magnetmaterial jederzeit vor der Unterteilung in Sektio­ nen oder, nachdem ein Zusammenbau des Rotors 12 vollständig ist, ma­ gnetisiert werden. Obwohl es bei dieser Erfindung nicht erforderlich ist, ist der Körper 28, der in Fig. 6 gezeigt ist, mit einem gefüllten Innenbereich 56 gezeigt. Der Innenbereich 56 kann durch Einsetzen eines zylindrischen Stabes oder einer zylindrischen Stange in die Zentralbohrung, die durch den Dorn 32 in den Fig. 3 und 4 erzeugt wird, oder durch Befüllen des In­ nenraumes des kleinsten Körpers 44 in Fig. 5 geformt werden. Geeignete Füllmaterialien umfassen angereicherte und abgereicherte, thermoplasti­ sche und wärmeaushärtbare Polymere. Durch das sektionsweise Unter­ teilen des Körpers 28 auf die in Fig. 6 gezeigte Art und Weise ist jeder Sektor 26 im allgemeinen keilförmig mit einem Scheitel 54, der durch den gefüllten Innenbereich 56 definiert ist, radialen Flächen 58, die definiert sind, wo die Sektoren 26 von dem Körper 28 entlang der Radiuslinien ge­ trennt wurden, und einer äußeren, bogenförmigen (konvexen) Fläche 60 entsprechend der äußeren, zylindrischen Fläche des Körpers 28.

In Fig. 7 sind vier Sektoren 26, die aus zylindrischen Körpern 28 auf die in Fig. 6 gezeigte Art und Weise geformt sind, in dem Gestell (cradle) 24 zusammengebaut gezeigt, von denen sich jeder in einer bogenförmigen Mulde oder Ausnehmung 62 befindet, die im dem Gestell 24 ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 62 sind vorzugsweise parallel zu der Achse des Gestells 24 (entsprechend der Achse des Rotors 12) angeordnet und er­ strecken sich über die vollständige Länge des Gestells 24 (entsprechend der Länge des Rotors 12). Das Gestell 24 kann aus faserverstärktem Kunststoff oder einem nichtmagnetischen, rostfreien Stahl geformt sein, obwohl auch der Gebrauch anderer Materialien möglich ist. Ein Klebstoff, wie beispielsweise ein Epoxidharz, wird vorzugsweise dazu verwendet, um die äußeren, bogenförmigen Flächen 60 der Sektoren 26 an die Flächen der Ausnehmungen 62 zu kleben. Abschnitte des Scheitels 54, der gefüll­ ten Innenbereiche 56 und der Bereiche 20 und 22 sind durch gestrichelte Linien von dem Rotor 12 weggearbeitet gezeigt, um die gewünschte, zylin­ drische Form für den Rotor 12 zu bilden, wie in den Fig. 1, 2 und 7 gezeigt ist. Auch sind in Fig. 2 Umfangsnuten 64 ausgebildet, die in dem Außen­ bereich des Rotors 12 geformt sind, wobei Bänder 66 in den Nuten 64 auf­ genommen sind, um die Sektoren 26 für einen Betrieb bei hohen Dreh­ zahlen besser miteinander zu verbinden. Schließlich ist die Welle 16 in den Fig. 2 und 7 innerhalb einer Zentralbohrung 68 in dem Gestell 24 po­ sitioniert und befestigt gezeigt. Als eine Alternative zu den Nuten 64 und Bändern 66 können Bohrungen 70 (Fig. 1) in den Sektoren 26 so gearbei­ tet sein, um den Gebrauch von Befestigungseinrichtungen zu ermöglichen und damit die Sektoren 26 an die Welle 18 zu befestigen.

Während die Erfindung hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß von Fachleuten andere Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise könnten verschiedene Verfahren, Materialien und Komponenten dazu verwendet werden, die Sektoren 26 an dem Gestell 24 zu befestigen. Schließlich können Materia­ lien, die von den oben angemerkten Materialien verschieden sind, verwen­ det werden, und es können verschiedene Wärmebehandlungen verwendet werden, um die Eigenschaften der Materialien und des Rotors 12 im gan­ zen zu ändern. Demgemäß ist der Schutzumfang in der vorliegenden Er­ findung nur durch die folgende Ansprüche beschränkt.

Zusammenfassend ist ein Reluktanzrotor und ein Verfahren zur Herstel­ lung von Reluktanzrotoren mit weichmagnetischen Bereichen und Berei­ chen mit magnetischen Eigenschaften offenbart, die von denjenigen des weichmagnetischen Bereiches verschieden sind, um so eine Flußbarriere zu erzeugen. Das Verfahren umfaßt allgemein die Herstellung eines Ma­ gnetkörpers mit einer Zentralachse und einer äußeren Umfangsfläche. Der Körper umfaßt konzentrische Bereiche, von denen zumindest einer ein weichmagnetischer Bereich ist, während zumindest ein zweiter Bereich der konzentrischen Bereiche aus einem Material mit im Vergleich zu dem weichmagnetischen Bereich verschiedenen, magnetischen Eigenschaften geformt ist. Nach der Formung wird der Körper entlang von Radiuslinien desselben geteilt, um keilförmige Elemente zu formen, wobei jedes keil­ förmige Element koaxiale, bogenförmige Bereiche aufweist, die Abschnitte der konzentrischen Bereiche des Körpers darstellen. Als Ergebnis der Art und Weise, wie der Körper geteilt ist, weisen die keilförmigen Elemente ra­ diale Flächen auf, die definiert sind, wo die keilförmigen Elemente von dem Körper getrennt wurden, und jedes der keilförmigen Elemente weist auch eine distale Fläche entsprechend der äußeren Umfangsfläche des Körpers auf. Die keilförmigen Elemente werden anschließend um eine Symmetrieachse, die der Rotationsachse des Rotors entspricht, angeord­ net, wobei die distalen Flächen der keilförmigen Elemente benachbart der Symmetrieachse angeordnet sind und zueinander weisen, und wobei die radialen Flächen der keilförmigen Elemente von der Symmetrieachse weg­ weisen. Die keilförmigen Elemente werden anschließend miteinander ver­ bunden und gegebenenfalls so bearbeitet, um den Rotor des Reluktanz­ motors zu formen.

Claims (40)

1. Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Reluktanzmotors, so daß der Rotor eine Rotationsachse und Bereiche unterschiedlicher, magnetischer Eigenschaften aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:
zumindest ein Körper mit einer Zentralachse und einer äußeren Umfangsfläche hergestellt wird, wobei der Körper konzentrische Bereiche aus zumindest einem weichmagnetischen Bereich und zumindest einem zweiten Bereich aus einem Material mit magnetischen Eigenschaften umfaßt, die zu denen des weichmagnetischen Bereiches verschieden sind, so daß der zweite Bereich eine Flußbarriere definiert;
der Körper entlang von Radiuslinien desselben geteilt wird, um keilförmige Elemente zu bilden, wobei jedes der keilförmigen Elemente radiale Flächen aufweist, die definiert sind, wo die keilförmigen Elemente von dem Körper entlang der Radiuslinien des Körpers getrennt wurden, wobei jedes der keilförmigen Elemente ferner eine distale Fläche entsprechend der äußeren Umfangsfläche des Körpers aufweist;
zumindest einige der keilförmigen Elemente um eine Symmetrieachse, die der Rotationsachse des Rotors enstpricht, angeordnet werden, wobei die keilförmigen Elemente so angeordnet werden, daß die distalen Flächen der keilförmigen Elemente benachbart der Symmetrieachse angeordnet sind und zueinander weisen, und wobei die radialen Flächen der keilförmigen Elemente in einer Auswärtsrichtung von der Symmetrieachse weisen, und anschließend
die keilförmigen Elemente miteinander verbunden werden, um den Rotor des Reluktanzmotors zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material des zweiten Bereiches des Körpers aus einer Gruppe gewählt wird, die nichtferromagnetische, hartmagnetische und weichmagnetische Materialien umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper so hergestellt wird, daß ein Verstärkungsmaterial enthalten ist, so daß die keilförmigen Elemente und die Rotoren das Verstärkungsmaterial enthalten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verstärkungsmaterial ein Partikelmaterial ist, das in zumindest einem der weichmagnetischen und zweiten Bereiche dispergiert/verteilt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verstärkungsmaterial ein Gitter-, Geflecht- und/oder Gewebematerial ist, das zwischen zwei der konzentrischen Bereiche des Körpers angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper so hergestellt wird, daß seine äußere Umfangsfläche eine zylindrische Form aufweist, so daß die distale Fläche jedes der keilförmigen Elemente eine bogenförmige, konvexe Form aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper mit einer Zentralbohrung darin ausgebildet wird, so daß jedes der keilförmigen Elemente eine bogenförmige, konkave Fläche aufweist, die gegenüberliegend von der distalen Fläche derselben angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper als ein massiver Zylinder mit einem Zentralkern hergestellt wird, der durch die konzentrischen Bereiche umgeben wird, wobei jedes der keilförmigen Elemente einen keilförmigen Abschnitt des Zentralkernes umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rotor Umfangsnuten umfaßt, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfaßt, daß die keilförmigen Elemente mit Bändern aneinander befestigt werden, die in den Umfangsnuten aufgenommen sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Herstellschritt umfaßt, daß:
ein weichmagnetisches Pulvermaterial verdichtet wird, um ein erstes, rohrförmiges Element entsprechend des weichmagnetischen Bereiches des Körpers zu formen; und anschließend
ein Pulver des Materials des zweiten Bereiches verdichtet wird, um ein zweites, rohrförmiges Element entsprechend des zweiten Bereiches des Körpers zu formen; und anschließend
die ersten und zweiten, rohrförmigen Elemente zusammengebaut werden, so daß die ersten und zweiten, rohrförmigen Elemente konzentrisch angeordnet sind und miteinander in Kontakt stehen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Verdichtung mechanisch, hydraulisch oder elektromagnetisch ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Partikel des weichmagnetischen Pulvermaterials mit einem Polymermaterial eingekapselt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Partikel des Materials des zweiten Bereiches mit einem Polymermaterial eingekapselt sind.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zumindest einer der weichmagnetischen und zweiten Bereiche eine Dispersion/Verteilung von Partikelverstärkungsmaterial umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Herstellschritt umfaßt, daß:
ein weichmagnetisches Pulvermaterial verdichtet wird, um zumindest zwei rohrförmige Elemente mit verschiedenen, inneren und äußeren Durchmessern zu formen;
die rohrförmigen Elemente so zusammengebaut werden, daß diese konzentrisch zueinander angeordnet sind und ein ringförmiger Spalt zwischen diesen vorhanden ist;
der ringförmige Spalt mit einem Polymermaterial gefüllt wird, und anschließend
das Polymermaterial gehärtet wird, um den zweiten Bereich des Körpers zu formen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei Partikel des weichmagnetischen Pulvermaterials mit einem Polymermaterial eingekapselt sind.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zumindest einer der weichmagnetischen und zweiten Bereiche eine Dispersion/Verteilung an Partikelverstärkungsmaterialien umfaßt.

18. Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Reluktanzmotors, so daß der Rotor eine Rotationsachse und Bereiche unterschiedlicher, magnetischer Eigenschaften aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:
ein Körper mit einem Zentralkern und konzentrischen Bereichen hergestellt wird, die den Zentralkern umgeben und eine zylinderförmige Außenfläche des Körpers formen, wobei zumindest ein erster der konzentrischen Bereiche aus einem verdichteten, weichmagnetischen Pulvermaterial geformt wird und zumindest ein zweiter der konzentrischen Bereiche aus einem Material geformt wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus nichtferromagne­ tischem Material, hartmagnetischen Materialien und weichmagnetischen Materialien besteht, wobei der zweite konzentrische Bereich als eine Flußbarriere gegenüber dem ersten, konzentrischem Bereich dient,
der Körper entlang von Radiuslinien desselben geteilt wird, um im wesentlichen identische Sektoren zu formen, wobei jeder der Sektoren einen Abschnitt des Zentralkernes, koaxiale, bogenförmige Bereiche, die ursprünglich Teil der konzentrischen Bereiche des Körpers waren, radiale Flächen, die definiert sind, wo die Sektoren von dem Körper entlang der Radiuslinien des Körpers getrennt wurden, und eine bogenförmige, konvexe Fläche umfaßt, die gegenüberliegend von dem keilförmigen Abschnitt angeordnet ist und der Außenfläche des Körpers entspricht;
zumindest einige der Sektoren in Ausnehmungen angeordnet werden, die in einem Gestell ausgebildet sind, wobei das Gestell eine Symmetrieachse aufweist, die der Rotationsachse des Rotors entspricht, wobei die Sektoren in den Ausnehmungen so angeordnet sind, daß ihre bogenförmigen, konvexen Flächen in den Ausnehmungen aufgenommen sind und ihre keilförmigen Abschnitte in einer radial auswärtigen Richtung von der Symmetrieachse weisen;
das Gestell und die Sektoren miteinander verbunden werden, um einen Rotorrohling zu formen; und anschließend
der Rotorrohling bearbeitet wird, um den Rotor mit einer zylindrischen Außenfläche zu formen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Körper so hergestellt wird, daß ein Partikelverstärkungsmaterial enthalten ist, das in zumindest einem der konzentrischen Bereiche dispergiert/verteilt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Körper so hergestellt wird, daß ein Verstärkungsgittermaterial enthalten ist, das zwischen zwei der konzentrischen Bereiche des Körpers angeordnet ist.

21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Rotorrohling so bearbeitet wird, daß der Rotor Umfangsnuten aufweist, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfaßt, daß die Sektoren mit Bändern aneinander befestigt werden, die in den Umfangsnuten aufgenommen sind.

22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das weichmagnetische Pulvermaterial aus der Gruppe gewählt ist, die aus Eisen und dessen Legierungen, Nickel und dessen Legierungen, Kobalt und dessen Legierungen, Eisen-Silizium- Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Eisen-Silizium- Aluminium-Legierungen, Ferriten und magnetischen Legierungen aus rostfreiem Stahl besteht.

23. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Material des zweiten der konzentrischen Bereiche ein permanentmagnetisches Material ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ferriten, Eisen-Seltenerdmetall-Legierungen, Samarium- Legierungen und keramischen Materialien besteht.

24. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Material des zweiten der konzentrischen Bereiche ein Permanentmagnetmaterial ist, das eine amorphe, nichtkristalline, metallurgische Struktur aufweist.

25. Rotor eines Reluktanzmotors, wobei der Rotor eine Rotationsachse aufweist, und umfaßt:
keilförmige Elemente, die um eine Symmetrieachse entsprechend der Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, wobei jedes der keilförmigen Elemente eine Fläche umfaßt, die durch koaxiale, bogenförmige Bereiche aus zumindest einem weichmagnetischen Bereich und zumindest einem zweiten Bereich aus einem Material mit im Vergleich zu dem weichmagnetischen Bereich verschiedenen, magnetischen Eigenschaften definiert ist, so daß der zweite Bereich gegenüber dem weichmagnetischen Bereich als eine Flußbarriere dient, wobei der weichmagnetische Bereich jedes der keilförmigen Elemente aus einem verdichteten, weichmagnetischen Pulvermaterial geformt ist, und wobei die keilförmigen Elemente so angeordnet sind, daß ihre Flächen benachbart der Symmetrieachse liegen und zu einander weisen; und
ein Verbindungsmittel, um die keilförmigen Elemente miteinander zu verbinden und damit den Rotor des Reluktanzmotors zu formen.

26. Rotor nach Anspruch 25, wobei das Material des zweiten Bereiches jedes keilförmigen Elementes aus der Gruppe gewählt ist, die aus nichtferromagne­ tischen, hartmagnetischen und weichmagnetischen Materialien besteht.

27. Rotor nach Anspruch 25, wobei innerhalb jedes der keilförmigen Elemente zumindest einer der weichmagnetischen und zweiten Bereiche eine Dispersion/Ver­ teilung von Partikelverstärkungsmaterial umfaßt.

28. Rotor nach Anspruch 25, wobei innerhalb jedes der keilförmigen Elemente ein Verstärkungsgittermaterial zwischen zwei der koaxialen, bogenförmigen Bereiche derselben angeordnet ist.

29. Rotor nach Anspruch 25, ferner mit:
Umfangsnuten und Bändern, die in den Umfangsnuten aufgenommen sind und die keilförmigen Elemente zusammenhalten.

30. Rotor nach Anspruch 25, wobei Partikel des weichmagnetischen Pulvermaterials mit einem Polymermaterial eingekapselt sind.

31. Rotor nach Anspruch 25, wobei der zweite Bereich aus einem verdichteten Pulver des Materials geformt ist.

32. Rotor nach Anspruch 31, wobei Partikel des Materials mit einem Polymermaterial eingekapselt sind.

33. Rotor nach Anspruch 25, wobei der zweite Bereich jedes der keilförmigen Elemente aus einem gehärteten Polymermaterial geformt ist.

34. Reluktanzmotor mit einem Rotor umfassend:
ein Gestell mit einer Symmetrieachse und in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen, die parallel zu der Symmetrieachse liegen, wobei die Symmetrieachse einer Rotationsachse des Rotors entspricht;
Sektoren, die in den Ausnehmungen des Gestells aufgenommen sind, wobei jeder der Sektoren koaxiale, bogenförmige Bereiche aus zumindest einem weichmagnetischen Bereich und zumindest einem zweiten Bereich aus einem Material mit im Vergleich zu dem weichmagnetischen Bereich verschiedenen, magnetischen Eigenschaften umfaßt, so daß der zweite Bereich gegenüber dem weichmagnetischen Bereich als eine Flußbarriere dient, wobei der weichmagnetische Bereich jedes der Sektoren aus einem verdichteten, eingekapselten, weichmagnetischen Pulvermaterial geformt ist; und
ein Verbindungsmittel, das die Sektoren mit dem Gestell verbindet, um den Rotor des Reluktanzmotors zu formen.

35. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, wobei das Material des zweiten Bereiches jedes Sektors aus der Gruppe gewählt ist, die aus nichtferromagnetischen und hartmagnetischen Materialien besteht.

36. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, wobei innerhalb jedes der Sektoren zumindest einer der weichmagnetischen und zweiten Bereiche eine Dispersion/Verteilung an Partikelverstärkungsmaterial umfaßt.

37. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, wobei innerhalb jedes der Sektoren ein Verstärkungsgittermaterial zwischen zwei der koaxialen, bogenförmigen Bereiche derselben angeordnet ist.

38. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, ferner mit Umfangsnuten und Bändern, die in den Umfangsnuten aufgenommen sind und die Sektoren zusammenhalten.

39. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, wobei der zweite Bereich jedes der Sektoren aus einem verdichteten Pulver geformt ist.

40. Reluktanzrotor nach Anspruch 34, wobei der zweite Bereich jedes der Sektoren aus einem gehärteten Polymermaterial geformt ist.