DE10147310A1 - Schalenförmiger Magnet - Google Patents

Abstract

Schalenförmiger Magnet für Elektromotoren mit zwei Stirnflächen (1), zwei Seitenflächen (2, 3) und zwei zwischen den Stirnflächen (1) entlang der Seitenflächen (2, 3) gekrümmten Deckflächen (7, 8), bei dem die Seitenflächen (2, 3) v-förmig geschrägt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen schalenförmigen Magneten für Elektromotoren mit zwei Stirnflächen, zwei Seitenflächen und zwei zwischen den Stirnflächen entlang der Seitenflächen gekrümmten Deckflächen.
• Bei elektrischen Motoren entstehen aus dem Zusammenspiel von Anker (Nutung) und Erregersystem (Polausbildung) meist unerwünschte Oberwellen, die als Nutrastmomente (Reluktanzmomente) und durch das Erregerfeld hervorgerufene Oberwellen in der induzierten Spannung in Erscheinung treten. Die Problematik von Reluktanzmomenten ist beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 196 33 209 A1 beschrieben.
• Als ein wirkungsvolles Mittel zur Unterdrückung dieser Oberwellen wird allgemein eine Schrägung des Stators und/oder Rotors um eine Nutteilung oder eines bestimmten Betrages dieser vorgenommen. Dieser in Umfangsrichtung verlaufende Schrägungswinkel wird im weiteren mit α bezeichnet. Bei permanentmagnetisch erregten rotierenden elektrischen Maschinen wird eine automatisierte Bewicklung des genuteten Ankers (wicklungstragender Teil) beispielsweise mittels Einziehtechnik oder mittels Wickelarm durch geschrägte Nuten jedoch erschwert bis unmöglich. Deshalb muss hier die Schrägung im Erregerteil, also im Permanentmagneten, erfolgen.
• Der auf die Länge umgerechnete axiale Schrägungswinkel β ergibt sich aus der radialen Schrägung α, dem Rotorradius R, der bei konzentrischen Schalen gleich R_a bzw. bei nicht konzentrischen Radien gleich R_i + h_M ist, ergibt sich zu:
  
  β = arctan(2R/l_M.sin(α/2) (1)
  
  
• Gesinterte Permanentmagnete erfordern aufgrund der toleranzbehafteten Schrumpfung im Fertigungsprozess eine mechanische Nacharbeitung durch Schleifen. Das Schleifen von Schalen erfolgt hochproduktiv im Durchlaufverfahren ohne separaten Halte- und Spannmechanismus, nur geführt durch die Seitenkanten und entsprechende Andruck- und Transporteinrichtungen.
• Schalen sind Teile mit mindestens einer, meistens aber zwei gekrümmten Oberflächen 7, 8, welche senkrecht zu den Endflächen des Magneten in axialer Richtung verlaufen. Eine Schale mit einer gekrümmten Oberfläche 7 ist beispielsweise in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Eine Ausführungsform mit zwei gekrümmten Oberflächen 8 zeigt Fig. 2. Die gekrümmten Oberflächen 7, 8 verlaufen dabei senkrecht zu den im weiteren als Stirnflächen 1 bezeichneten Endflächen des Magneten in axialer Richtung. Bei geraden Schalen - wie in Fig. 2 gezeigt - laufen die Seitenflächen 2 parallel zur axialen Schleifrichtung. Bei geschrägten Schalen - wie in Fig. 3 gezeigt - können Seitenflächen 3 nicht mehr als Führungskante fungieren, da diese in einem Winkel β (axiale Schrägung) von einigen wenigen Grad bis hin zu einigen 10 Grad je nach Schrägungswinkel α und Magnetlänge l_M zur axialen Schleifrichtung verlaufen. Ein Schleifen dieser geschrägten Schalen (Fig. 3) ist dann nur noch in für jede Magnetgeometrie separat anzufertigenden Spannvorrichtungen und für Innen- und Außenradius (R_i und R_a) getrennten Durchläufen möglich. Ein Schleifen der Magnetbreite b_M und der Magnetlänge l_M würde weitere zusätzliche Arbeitsgänge und Vorrichtungen erfordern.
• Der zeitliche und aparative Aufwand mit manueller Bestückung beim Schleifen erhöht die Kosten für geschrägte Schalen gegenüber dem Durchlaufschleifen des kompletten Querschnittsprofils (Fußform, Breite, Innenradius und Außenradius einschließlich der Magnetdicke h_M) eines ungeschrägten Magneten deutlich.
• Darüber hinaus treten auch beim Pulverpressen Schwierigkeiten und Probleme mit diesen in sich verwundenen Schalen auf wie beispielsweise beim Entformen (Abschieben der Magnete aus dem Presshohl), dem Transport und dem Stapeln in den Sinterkästen, da die Schalenmagnete nur an zwei Punkten aufliegen. Diese Punkte sind in Fig. 3 mit den Bezugszeichen A und B bezeichnet.
• Für das Schleifen sind also die als längsparallele Führungsflächen dienenden Seitenflächen 2 und Füße 4 mit einer Fußbreite f unerlässlich. Für das Pressen müssen die Seitenflächen 2 bzw. 3 zumindest auch zu einem bestimmten Anteil zur Magnethöhe parallel verlaufen. Aus dem Stand der Technik wie beispielsweise der eingangs genannten Deutschen Offenlegungsschrift DE 196 33 209 A1 sind Lösungswege zur Verminderung der Rastmomente unter Umgehung einer geschränkten Schale bekannt, die auf geraden ungeschrägten Schalen basieren, um die oben beschriebenen Fertigungsprobleme zu vermeiden. Diese Lösungen können jedoch die Rastmomente nicht so vollkommen unterdrücken wie eine Schrägung. Bestimmte Sägezahnordnungen bei axialer Magnetlängenstaffelung oder ungleichmäßige Polteilungen reduzieren zwar die Nutrastmomente, die Anordnungen reagieren aber sehr empfindlich auf geometrische Toleranzen und bei einer ungleichmäßigen Erregerpolteilung besteht die Gefahr von Kreisströmen bei parallel geschalteten Wicklungen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen schalenförmigen Magnet zur Verwendung in Elektromotoren anzugeben, der zum einen eine weitgehende Unterdrückung von Reluktanzmomenten bei Elektromotoren bietet und zum anderen einen geringen Herstellungsaufwand erfordert.
• Die Aufgabe wird gelöst durch einen schalenförmigen Magneten gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Bisher war es üblich, die erforderliche radiale Schrägung (z. B. um eine Nutteilung) in einen axialen Schrägungswinkel der Magnetseitenkanten über die gesamte Magnetlänge gleichmäßig zu projizieren. Es entsteht eine Schale, also ein Körper mit gekrümmten Deck- und Grundflächen, der in der Draufsicht die Form eines Parallelogramms hat und in sich gewunden ist. In der Stirnseitenansicht in axialer Richtung zeigt sich ein Kreisringabschnitt mit parallelen, diametral gerichteten Seitenkanten, wobei die beiden Stirnseiten um den Schrägungswinkel verdreht sind. Allein mit den beiden Äußeren am weitesten voneinander entfernt liegenden Ecken kann eine stabile Auflage und axiale Führung nicht erreicht werden.
• Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Schrägung bereits beispielsweise auf die halbe Länge zu projizieren und dann zur zweiten Stirnseite hin wieder zurücklaufen zu lassen. Dadurch entsteht in der Draufsicht ein v-förmiger Magnet, der drei stabile Auflagepunkte auf gleichem Höhenniveau besitzt. Diese Schale kann einfacher gepresst und vor allem lose im Durchlauf geschliffen werden. Es entsteht dadurch ein erheblicher Kostenvorteil gegenüber den bisherigen Fertigungsverfahren und Fertigungsabläufen.
• Weiterhin wird vorzugsweise die volle Schrägung bereits in etwa der Mitte der axialen Länge erreicht. Als Mitte ist dabei ein Bereich zu verstehen, der sich um den tatsächlichen Mittelpunkt in beide Richtungen um etwa 10% erstreckt.
• Bevorzugt liegen die Stirnflächen dabei in axialer Richtung deckungsgleich. Durch diese Art einer v-förmigen Schrägung werden axiale Kräfte, die die Lager belasten, vermieden. Besonders bei größeren Maschinen führt dies bei konventioneller Schrägung zu Problemen. Durch die symmetrisch in beide Umfangsrichtungen verlaufenden Schrägungsflanken kompensieren sich die Axialkräfte vollständig.
• Als Magnetmaterial werden vor allem Selten-Erden-Verbindungen oder Hartferrite oder AlNiCo-Materialien verwendet. Des weiteren wird der Magnet bevorzugt im Sinterverfahren hergestellt.
• Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Teilmagnete axial gestaffelt sind, wobei bei einer Anzahl n von Teilmagneten der Schrägungswinkel der Teilmagneten nur den n-ten Teil der Gesamtschrägung beträgt und die Teilmagnete um diesen Teil tangential versetzt hintereinander angeordnet sind.
• Schließlich ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine geradzahlige Anzahl von Teilmagneten axial gestaffelt ist, wobei die Schrägung eines Teilmagneten nur die Hälfte der Gesamtschrägung beträgt und die Teilmagnete wechselseitig aneinander gereiht sind.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Ausbildung eines bekannten schalenförmigen Magneten zur Anwendung bei Elektromotoren mit einseitiger Krümmung,
• Fig. 2 einen bekannten schalenförmigen Magneten mit zweiseitiger Krümmung,
• Fig. 3 einen schalenförmigen Magneten mit geschrägten Kanten,
• Fig. 4 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen schalenförmigen Magneten,
• Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magneten,
• Fig. 6 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magneten mit n-facher axialer Staffelung und
• Fig. 7 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magneten mit zweifacher Staffelung.
• Ein wesentliches Problem beim Schleifen geschrägter schalenförmiger Magnete ist das Fehlen einer stabilen seitlichen Führung und stabilen Auflage im Durchlaufprozess. Eine Dreipunktauflage bei einem erfindungsgemäßen Magneten M gibt in einer parallelen Führungsleiste ausreichend Halt. Dieser wird umso besser, wenn die beiden auf einer Seite liegenden Punkte C und D in den Fig. 4 und 5 möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind und der auf der anderen Seite liegende Punkt E sich ungefähr in der Mitte dieser beiden Punkte befindet. Eine vollflächige Führung ist weder notwendig noch erforderlich. Das gleiche gilt für eine Planauflage durch Füße F, G und H wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
• Entsprechend den Fig. 4 und 5 ist erfindungsgemäß der Magnet M nun so gestaltet, dass die erforderliche Schrägung β nicht kontinuierlich zwischen den Stirnseiten 1 verläuft, sondern der Magnet M v-förmige, abgewinkelte und zueinander abschnittsweise parallel verlaufende Seitenflächen 4 aufweist. Der Magnet M erreicht dabei seine volle Magnetschrägung bereits nach ungefähr der halben Länge und läuft dann wieder zurück auf seinen ursprünglichen Zustand. Ein gewisser geradflankiger Übergangsbereich 5 oder bogenförmiger Übergangsbereich 6 mit einem Radius R_e an den Anlegestellen C, D und E ist zulässig und kann bei den Berechnungen des Schrägungswinkels mit berücksichtigt werden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
• Aus Gleichung (1) ergibt sich nun unter Berücksichtigung der halben Länge:
  
  β = arctan(4R/l_M.sin(α/2n)) (2)
  
• Bei n-facher axialer Staffelung mehrerer Magnete pro Maschinenlänge kann sowohl die gesamte erforderliche Schrägung in einem Magneten erfolgen oder auch nur der n-te Teil dieser Schrägung wie in Fig. 6 dargestellt. Durch ein tangentiales versetztes axiales Aneinanderreihen mehrerer Magnete M₁, M₂ und M₃ wie in Fig. 6a wird der volle Gesamtschrägungswinkel β gebildet. Fig. 6b zeigt im Vergleich dazu eine Anordnung der Magnete M₁, M₂ und M₃ ohne Unterteilung.
• Bei nur zweifacher (oder auch mehrfach geradzahliger) Staffelung genügt die Schrägung der Magneten (M₄, M₅) um den halben Gesamtschrägungswinkel und die Magnete M₄, M₅ werden dann wie in Fig. 7 gezeigt wechselseitig aneinander gesetzt. Dabei gehen die Stirnflächen ohne Versatz zu einander in einander über. Aus Gleichung (2) ergibt sich nun bei n-Unterteilungen der Länge:
  
  β = arctan(4R/l_M.sin(α/2n)) (3)
  
• Als Magnetmaterialien werden bei den Ausführungsbeispielen Selten-Erden-Verbindungen oder Hartferrite oder AlNiCo- Materialien in Verbindung mit Sinterverfahren verwendet.
• Zusammenfassend ist also festzustellen, dass eine Schrägung notwendig ist, um Oberwellen durch die Nutung weitgehend zu unterdrücken. Dies geschieht im allgemeinen durch Schrägung der Nuten oder des Polsystems (bei permanentmagnetischer Erregung durch Schrägung der seitlichen Magnetkanten). Bei Gleichstrommotoren, bürstenlosen Gleichstrommotoren und Synchronmotoren für Drehstromantriebstechniken mit Permanenterregung können die Anker bzw. Statoren mit geschrägten Nuten jedoch nicht mehr automatisch bewickelt werden. Es muss also der Magnet geschrägt werden. Geschrägte Magnete können jedoch nicht mehr im Durchlauf durch loses Aneinanderreihen geschliffen werden, da die seitliche axiale Führung und auch die Auflage durch die geschrägte und verwundene Form der Schale nicht mehr gegeben ist. Ein Schleifen ist aber aufgrund des Sinterverzugs unbedingt erforderlich. Diese geschrägten Schalen konnten bisher nur in festen Einspannungen, d. h. in extra dafür für jede zu bearbeitende Fläche und für jede Magnetabmessung anzufertigende Haltevorrichtung in separaten Arbeitsgängen geschliffen werden.
• Durch die erfindungsgemäße Magnetform wird nun zum einen die Schrägungswirkung voll erreicht und damit ein Auftreten von Reluktanzomenten wirkungsvoll verhindert. Zum anderen werden stabile Auf- und Anlegepunkte geschaffen, die ein Schleifen im Durchlauf ohne zusätzliche Haltevorrichtungen ermöglichen.

Claims (7)

1. Schalenförmiger Magnet für Elektromotoren mit zwei Stirnflächen (1), zwei Seitenflächen (2, 3) und zwei zwischen den Stirnflächen (1) entlang der Seitenflächen (2, 3) gekrümmten Deckflächen (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (2, 3) v-förmig geschrägt sind.

2. Schalenförmiger Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenflächen (2, 3) derart geschrägt sind, dass die volle Schrägung in der Mitte der axialen Länge erreicht wird.

3. Schalenförmiger Magnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (1) in axialer Richtung deckungsgleich liegen.

4. Schalenförmiger Magnet nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetmaterial Selten- Erden-Verbindungen oder Hartferrite oder AlNiCo-Materialien vorgesehen sind.

5. Schalenförmiger Magnet nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M) im Sinterverfahren hergestellt ist.

6. Schalenförmiger Magnet nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilmagnete (M₁, M₂, M₃) axial gestaffelt sind, wobei von einer Anzahl n von Teilmagneten (M₁, M₂, M₃) der Schrägungswinkel der Teilmagneten (M₁, M₂, M₃) nur den n-ten Teil der Gesamtschrägung (β) beträgt und die Teilmagnete (M₁, M₂, M₃) um diesen Teil tangential versetzt hintereinander angeordnet sind.

7. Schalenförmiger Magnet nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von Teilmagneten (M₄, M₅) axial gestaffelt ist, wobei die Schrägung eines Teilmagneten (M₄, M₅) nur die Hälfte der Gesamtschrägung (β) beträgt und die Teilmagnete (M₄, M₅) wechselseitig aneinander gereiht sind.