DE102004033257B4

DE102004033257B4 - Elektrischer Motor

Info

Publication number: DE102004033257B4
Application number: DE102004033257.6A
Authority: DE
Inventors: Niels Christian Weihrauch; Preben Bjerre
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2024-07-10
Also published as: DE102004033257A1

Abstract

Elektrischer Motor (1) mit einem Stator (2), der eine Statorbohrung (3) aufweist, und mit einem Rotor (4), der in der Statorbohrung (3) angeordnet ist, der ein axiales erstes Ende (9) und ein axiales zweites Ende (10) sowie einen ersten Durchmesser (D1) und einen zweiten größten Durchmesser (D2) aufweist, wobei sich der Rotor (4) in einem ersten Abschnitt (11) vom zweiten Durchmesser (D2) zum ersten Durchmesser (D1) zum ersten Ende (9) hin verjüngt und durch das zweite Ende (10) hindurch einseitig gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rotor (4) in einem zweiten Abschnitt (12) vom zweiten Durchmesser (D2) zu einem dritten Durchmesser (D3) zum zweiten Ende (10) hin verjüngt, wobei der zweite Abschnitt (12) kürzer als der erste Abschnitt (11) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Motor mit einem Stator, der eine Statorbohrung aufweist, und mit einem Rotor, der in der Statorbohrung angeordnet ist, der ein axiales erstes Ende und ein axiales zweites Ende sowie einen ersten Durchmesser und einen zweiten größten Durchmesser aufweist, wobei sich der Rotor in einem ersten Abschnitt vom zweiten Durchmesser zum ersten Durchmesser zum ersten Ende hin verjüngt und durch das zweite Ende hindurch einseitig gelagert ist.
Ein derartiger Motor ist aus US 5 233 254 A , US 2 575 153 A oder DE 199 49 135 C2 bekannt. Die konische Ausbildung des Rotors hat den Vorteil, bei einer einseitigen Lagerung des Rotors eine gewisse seitliche Ausbiegung der Motorwelle zu gestatten, ohne dass der Rotor am Stator anschlägt. Allerdings hat sich in der Praxis gezeigt, dass es Schwierigkeiten bereitet, den Rotor zu montieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor so auszubilden, dass der Rotor einfach zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Motor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich der Rotor in einem zweiten Abschnitt vom zweiten Durchmesser zu einem dritten Durchmesser zum zweiten Ende hin verjüngt, wobei der zweite Abschnitt kürzer als der erste Abschnitt ist.
Man verwendet also einen zweiten konischen Abschnitt des Rotors an dem Ende, das in die Statorbohrung eingeführt wird und durch das letztendlich eine Welle greift, an der der Rotor gelagert ist. Die Konusform im zweiten Abschnitt wirkt dabei als Führung für den Rotor. Wenn die „Spitze“ des Rotors erst einmal eingeführt ist, dann folgt der Rest des Rotors problemlos nach, auch wenn sich der Durchmesser des Rotors vergrößert. Es besteht also nicht mehr die Gefahr, dass sich der Rotor in der Statorbohrung sozusagen „festbeißt“. In diesem Fall müsste man den Rotor erneut herausziehen und einen erneuten Versuch unternehmen, den Rotor einzuführen. Dies kostet Zeit in der Herstellung. Darüber hinaus könnte die Wand der Statorbohrung beschädigt werden. Dadurch, dass man nun den zweiten Abschnitt ebenfalls konusförmig ausbildet, kann man den Rotor nach wie vor mit einem vergleichsweise großen Durchmesser ausbilden, so dass der Luftspalt zwischen Rotor und Stator klein gehalten werden kann. Der zweite Abschnitt hat im Grunde nur die Aufgabe, das „Einfädeln“ des Rotors in die Statorbohrung zu erleichtern. Man kann ihn daher kurz halten.
Vorzugsweise weist der zweite Abschnitt einen größeren Konuswinkel als der erste Abschnitt auf. Mit anderen Worten ist der zweite Abschnitt „steiler“ als der erste Abschnitt. Das Winkelverhältnis zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt beträgt beispielsweise das 2- bis 3-fache. Beispielsweise kann die Steigung im ersten Abschnitt etwa 1° und im zweiten Abschnitt etwa 2 bis 3° betragen.
Auch ist von Vorteil, wenn der zweite Abschnitt eine axiale Länge aufweist, die 5 bis 20 % der axialen Länge des Rotors beträgt. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt eine axiale Länge in der Größenordnung von etwa 10 % der axialen Länge des Rotors haben. Dementsprechend ist der größte Durchmesser dem zweiten Ende, durch das hindurch der Rotor gelagert ist, relativ nahe benachbart, so dass auch beim Ausbiegen des Rotors im Betrieb die Gefahr gering ist, dass der Rotor am Stator anschlägt.
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein konusfreier dritter Abschnitt angeordnet. Ein derartiger Abschnitt kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben, z.B. eine gekrümmte Oberfläche mit variierendem Krümmungsradius.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Rotor im Bereich des dritten Abschnitts eine Zylinderform auf. Dies erleichtert eine maschinelle Montage. Die Montage erfolgt dadurch, dass ein Handhabungsautomat den Rotor in die Statorbohrung schiebt, bis der Rotor in Eingriff mit der Motorwelle kommt. Dabei wird der zylindrische Teil des Rotors die Statorbohrung nicht berühren. Der Nachteil ist, dass der Wirkungsgrad geringfügig geringer ist. Dafür läßt sich aber der Rotor wesentlich einfacher montieren.
Vorzugsweise ist der Rotor am axial inneren Ende des zweiten Abschnitts in Axialrichtung abgerundet. Der konische Abschnitt am zweiten Abschnitt geht also nicht mit einer scharfen Kante in den Rest des Rotors über, sondern mit einer Rundung. Dies verhindert weiter, dass der Rotor bei der Montage im Stator hängen bleibt.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Rotor am axial inneren Ende des ersten Abschnitts abgerundet ist. Diese Ausgestaltung ist vor allem dann von Vorteil, wenn der erste Abschnitt in den zweiten Abschnitt übergeht. Auch hierdurch wird verhindert, dass der Rotor bei der Montage im Stator hängen bleibt.
Vorzugsweise ist der Rotor mit einem Lagerhals gelagert, wobei der zweite Abschnitt zumindest teilweise axial außerhalb des Lagerhalses angeordnet ist. Damit kann man den Rotor am zweiten Ende insgesamt mit einem wesentlich kleineren Durchmesser versehen, ohne den Wirkungsgrad nennenswert abzuschwächen.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Rotors an beiden axialen Enden gleich. Dies erleichtert die Fertigung. Man kann den Rotor beispielsweise durch aufeinander gestapelte Ronden bilden, wobei die Ronden immer einen Mindestdurchmesser aufweisen, der, wie beschrieben, an beiden axialen Enden gleich ist.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Durchmesser des Rotors am ersten axialen Ende größer als am zweiten axialen Ende. In diesem Fall lässt sich der Rotor noch besser einfädeln, ohne dass der Wirkungsgrad nennenswert verringert wird. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motors mit einer ersten Ausführungsform eines Rotors,
2 eine zweite Ausführungsform eines Rotors,
3 eine dritte Ausführungsform eines Rotors und
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Biegelinie.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen elektrischen Motor 1 mit einem Stator 2, der eine Statorbohrung 3 aufweist, und einem Rotor 4, der in der Statorbohrung 3 angeordnet ist.
Zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 2 ist ein Luftspalt 5 ausgebildet, der in der 1, die den Motor 1 lediglich schematisch zeigt, übertrieben groß dargestellt ist. In Wirklichkeit hat der Luftspalt 5 eine radiale Erstreckung in der Größenordnung von wenigen zehntel Millimeter.
Der Rotor 4 ist mit einer Welle 6 verbunden, die über einen Lagerhals 7 am Rotor 4 befestigt ist. Die Welle 6 ist drehbar in einem Gehäuse 8 gelagert, beispielsweise dem Kompressorblock eines Kältemittelkompressors. Am Gehäuse 8 ist auch der Stator 2 befestigt.
Der Rotor 4 weist ein erstes Ende 9 und ein zweites Ende 10 auf. Die Welle 6 ist durch das zweite Ende 10 in den Rotor 4 eingeführt.
Der Rotor 4 weist einen ersten Abschnitt 11 auf, der sich zum ersten Ende 9 hin konisch verjüngt. Ferner weist der Rotor einen zweiten Abschnitt 12 auf, der sich zum zweiten Ende 10 hin verjüngt. Dadurch erhält der Rotor 4 drei unterschiedliche Durchmesser, nämlich einen Durchmesser D1 am ersten Ende 9, einen Durchmesser D3 am zweiten Ende 10 und einen Durchmesser D2 in dem Bereich, wo der erste Abschnitt 11 und der zweite Abschnitt 12 zusammenstoßen. Der Durchmesser D2 ist der größte Durchmesser. Da die Durchmesser D1, D2 und D3 durch Linien miteinander verbunden sind, gibt es in etwa ebenso viele Durchmesser wie Blechscheiben im Rotor-Blechpaket.
Die Durchmesserunterschiede und die entsprechenden Neigungswinkel der konusförmigen Abschnitte 11, 12 sind übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit sind die Größenverhältnisse beispielsweise so gewählt, dass der Luftspalt 5 im Bereich des größten Durchmessers D2 eine radiale Erstreckung von 0,1 mm und im Bereich der kleineren Durchmesser D1, D3 eine radiale Erstreckung von 0,2 mm aufweist.
Im Bereich des größten Durchmessers D2 kann der Rotor auch noch eine Abrundung 13 aufweisen, d.h. die beiden Abschnitte 11, 12 stoßen nicht „spitz“ zusammen, sondern gehen bogenförmig ineinander über.
Der zweite Abschnitt 12 wirkt als Führung für den Rotor 4, wenn der Rotor 4 in die Statorbohrung 3 eingeführt wird. Der zweite Abschnitt 12 wirkt dabei als „Spitze“, die das Einfädeln erleichtert. Wenn diese Spitze erst einmal eingeführt ist, folgt der Rest des Rotors 4 praktisch problemlos mit, auch wenn sich der Durchmesser des Rotors 4 im zweiten Abschnitt 12 vergrößert. Der Umstand, dass ein konischer Rotor 4 nicht nur einen Konusabschnitt 11, sondern zwei Konusabschnitte 11, 12 aufweist, vereinfacht die Montage, weil sich der Rotor 4 nicht mehr in der Statorbohrung 5 „festbeißen“ wird.
Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, ist der zweite Abschnitt 12 in Axialrichtung wesentlich kürzer als der erste Abschnitt 11. Dies hat den Vorteil, dass das bisherige Betriebsverhalten des Rotors 4 gegenüber einer Ausgestaltung, wie sie beispielsweise aus US 5 233 254 A oder DE 199 49 135 C2 bekannt ist, praktisch nicht oder nur sehr geringfügig verändert wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 haben beide Enden 9, 10 des Rotors 4 den gleichen Durchmesser, nämlich den Durchmesser, den ein herkömmlicher zylindrischer Rotor 4 haben würde. Man kann dies beispielsweise dadurch realisieren, dass man den Rotor 4 aus einem Stapel von Blechronden zusammensetzt und im Bereich des größten Durchmessers D2 Blechronden mit vergrößertem Durchmesser verwendet. Dieser größere Durchmesser D2 kann sich über eine Blechronde, aber auch über mehrere Blechronden erstrecken. Dies ermöglicht, dass man einen größeren Wirkungsgrad erreicht, weil der Durchmesser größer ist als ein Durchmesser, den man mit einem konischen Rotor nach DE 199 49 135 C2 erreichen könnte.
Der zweite Abschnitt 12, der dem Lager 7 benachbart ist, hat eine größere „Steigung“ als der erste Abschnitt 11, der weiter weg vom Lagerhals 7 ist. Auch die Winkel sind übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit wird die Steigung des ersten Abschnitts, also der Winkel zwischen der Achse 14 des Rotors 4 und der Umfangsfläche, im Bereich des ersten Abschnitts etwa 1° betragen, während er im Bereich des zweiten Abschnitts 12 etwa 2 bis 3° betragen wird.
Abweichend von der herkömmlichen Vorgehensweise erlaubt man bei der Montage des Rotors 4 im Stator 2, dass der Rotor 4 bei der Montage den Stator 2 berührt. Wenn der zweite Abschnitt 12 eingeführt ist, dann wird der Bereich des Rotors 4 mit dem Durchmesser D2 entlang der Oberfläche der Rotorbohrung 5 gleiten, bis der Rotor 4 mit der Welle 6 in Eingriff kommt. Da die Berührung aber nur während der Herstellung erfolgt, hat dies keinen Einfluss auf die Lebensdauer des Motors 1. Wenn der Rotor 4 mit der Welle 6 in Eingriff gekommen ist, dann ist der Rotor 4 vom Stator 2 freigekommen.
Die axiale Länge des zweiten Abschnitts 12 kann beispielsweise 10 % der axialen Länge des Rotors 4 betragen.
In nicht näher dargestellter Weise kann man im Rotor Aluminiumstäbe anordnen und zwar so, wie dies in DE 199 49 135 C2 beschrieben ist. Sie weisen also Einengungen im Bereich zwischen einem Stab und der Rotor-oberfläche auf, so dass im Bereich dieser Einengungen das Magnetfeld in den Stator 2 gezwungen wird und somit den Wirkungsgrad verbessert. Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. 2 zeigt lediglich den Rotor 4. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Zwischen dem ersten konischen Abschnitt 11 und dem zweiten konischen Abschnitt 12 ist nunmehr ein dritter Abschnitt 15 angeordnet, der als Zylinder ausgebildet ist. Dieser zylindrische Abschnitt 15 des Rotors 4 erleichtert eine maschinelle Montage. Die Montage erfolgt dadurch, dass ein Handhabungsautomat den Rotor 4 in die Statorbohrung (1) schiebt, bis der Rotor 4 in Eingriff mit der Welle 6 kommt. Bei dieser Lösung ist der Wirkungsgrad ein wenig geringer. Dafür lässt sich aber der Rotor 4 wesentlich einfacher montieren und kann so ausgebildet werden, dass er während der Montage den Stator überhaupt nicht berührt.
Eine dritte Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Hier ist im Gegensatz zu der Ausgestaltung nach den 1 und 2, bei denen die Durchmesser D1 = D3 waren, der Durchmesser D1 am ersten Ende 9 des Rotors größer als der Durchmesser D3 am zweiten Ende 10 des Rotors 4. Der Konuswinkel im ersten Abschnitt 11 des Rotors 4 ist wesentlich kleiner als der Konuswinkel im zweiten Abschnitt 12 des Rotors 4.
Die Länge und der Winkel des zweiten Abschnitts 12 sind so aufeinander abgestimmt, dass der größte Durchmesser D2 im Hinblick auf eine mögliche Ausbiegung, der der Rotor ausgesetzt wird, optimal angebracht ist. Eine derartige Ausbiegung ist schematisch in 4 dargestellt. Um die Erläuterung zu erleichtern, sind die Verhältnisse hier übertrieben groß dargestellt. Wenn auf den Rotor 4 eine radiale Kraft F wirkt, dann wird das Gesamtsystem aus Rotor 4 und Welle 6 mit Lagerhals 7 gegenüber der Achse 14 ausgebogen oder teilweise seitlich verlagert. Die radiale Kraft F kann viele Ursachen haben, beispielsweise eine geometrische Ungenauigkeit, die wiederum eine magnetische Unwucht bewirkt. Hierbei kann man den Rotor 4 selbst, d.h. ohne Welle 6, als unendlich steif betrachten. Gemeinsam mit der Welle 6 ergibt sich aber eine Anordnung, die einer Biegelinie 16 folgt. Bei dieser Ausbiegung wird das System aus Rotor 4 und Welle 6 um einen Biegepunkt 17 verschwenkt, den man beispielsweise durch eine numerische Berechnung, beispielsweise eine Finite-Elemente-Analyse (FEM), ermitteln oder durch Versuche bestimmen kann. Die Lage dieses Biegepunkts ergibt sich u.a. auch aus einer Kombination des Elastizitätsmoduls der Welle 6 bzw. des Lagerhalses 7 oder eines entsprechenden Lagers. Die Biegelinie 16 verläuft durch drei Bereiche. Der erste Bereich geht über die ganze axiale Länge des Rotors bis hin zum Anfang des Lagerhalses 7, was mit einer gestrichelten vertikalen Linie eingezeichnet ist. In diesem Bereich ist die Biegelinie eine gerade Linie. Im zweiten Bereich bis hin zum Biegepunkt 17 ist die Biegelinie gekrümmt, und im dritten Bereich gerade und horizontal. Im dritten Bereich erfolgt somit keine Biegung.

Claims

Elektrischer Motor (1) mit einem Stator (2), der eine Statorbohrung (3) aufweist, und mit einem Rotor (4), der in der Statorbohrung (3) angeordnet ist, der ein axiales erstes Ende (9) und ein axiales zweites Ende (10) sowie einen ersten Durchmesser (D1) und einen zweiten größten Durchmesser (D2) aufweist, wobei sich der Rotor (4) in einem ersten Abschnitt (11) vom zweiten Durchmesser (D2) zum ersten Durchmesser (D1) zum ersten Ende (9) hin verjüngt und durch das zweite Ende (10) hindurch einseitig gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rotor (4) in einem zweiten Abschnitt (12) vom zweiten Durchmesser (D2) zu einem dritten Durchmesser (D3) zum zweiten Ende (10) hin verjüngt, wobei der zweite Abschnitt (12) kürzer als der erste Abschnitt (11) ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (12) einen größeren Konuswinkel als der erste Abschnitt (11) aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (12) eine axiale Länge aufweist, die 5 bis 20 % der axialen Länge des Rotors (4) beträgt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Abschnitt (11) und dem zweiten Abschnitt (12) ein konusfreier dritter Abschnitt (15) mit dem zweiten Durchmesser (D2) angeordnet ist.
Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) im Bereich des dritten Abschnitts (15) eine Zylinderform aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) am axial inneren Ende des zweiten Abschnitts (12) in Axialrichtung abgerundet ist.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) am axial inneren Ende des ersten Abschnitts (11) abgerundet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) mit einem Lagerhals (7) gelagert ist, wobei der zweite Abschnitt (12) zumindest teilweise axial außerhalb des Lagerhalses (7) angeordnet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser (D1) und der dritte Durchmesser (D3) des Rotors (4) an beiden axialen Enden (9, 10) gleich ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser (D1) des Rotors (4) am ersten axialen Ende (9) größer als der dritte Durchmesser (D3) am zweiten axialen Ende (10) ist.