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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine und ein Verfahren
zu ihrer Herstellung.
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Unter
einer elektrischen Synchronmaschine wird allgemein ein Wechsel-
bzw. Drehstromgenerator oder -motor verstanden, wobei die wesentlichen Bestandteile
ein Stator mit elektrischen Wicklungen und ein Rotor mit Permanentmagneten
sind. Typischerweise ist der Stator als Anker und der Rotor als Polrad
ausgebildet.
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In 1a ist
solch eine Synchronmaschine 1 dargestellt. Der Stator 5 ist
hier eine Ständerlamelle und
ist mit einer elektrischen Wicklung 10, hier Ständerwicklung,
versehen. Im inneren Bereich der Ständerlamelle ist der Rotor 15 angeordnet,
welcher hier als eine Läuferlamelle
ausgebildet ist. Die Läuferlamelle
weist weiter Bauteile 20 aus Permanentmagneten auf, die
in so genannten Magnettaschen 25 der Läuferlamelle eingefügt worden
sind. Magnettaschen sind Aussparungen in der Läuferlamelle zur Aufnahme von
Magneten. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt
aus 1a und die Magnettaschen 25 sind in dieser
Abbildung gut erkennbar.
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Bei
der Fertigung einer solchen Synchronmaschine 1 werden zunächst Bauteile 20 aus
Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten Zustand oder auch
im noch nicht aufmagnetisierten Zustand in die Magnettaschen 25 montiert
(2). Sind die Bauteile 20 aus Magnetwerkstoffen
im bereits aufmagnetisierten Zustand, so sind sie bereits vor der
Montage Permanentmagnete. Sind die Bauteile 20 jedoch im
noch nicht aufmagnetisierten Zustand, so müssen sie nach der Montage aufmagnetisiert
werden. Dadurch werden sie zu einem Permanentmagneten überführt.
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Auf
jeden Fall werden die Bauteile 20 in die Magnettaschen 25 der
Läuferlamelle
eingeschoben. Meist sind die Bauteteile 20 dabei mit einem
Klebstoff versehen, um das Fixieren der Bauteile 20 in
den Magnettaschen 25 zu unterstützen.
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Bei
der beschriebenen Montage können
jedoch leicht Fertigungsfehler entstehen, die unterschiedliche Ursachen
haben: Beim Aneinanderklatschen von Bauteilen 20 aus Magnetwerkstoffen
kann ein Splittern der Bauteile 20 eintreten, wodurch einerseits
die Bauteile 20 selbst beschädigt werden und andererseits
insbesondere bei einer manuellen Fertigung Verletzungsgefahr für das Arbeitspersonal
besteht. Auch wird das Einschieben der Bauteile 20 begleitet
von Verschmutzungsgefahren, da die Bauteile 20 verschmutzende
Partikel wie Metallspäne
anziehen. Schließlich
besteht noch die Möglichkeit,
dass sich beim Einschieben der Bauteile 20 der auf den Bauteilen 20 aufgebrachte
Klebstoff an den Kanten der Bauteilen 20 abstreift und/oder
durch die Bauteile 20 herausgedrückt wird. Daraus resultiert
eine Verschmierung der Stirnseiten des gefertigten Läufers durch
den Klebstoff.
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Grundsätzlich ist
bei der Montage die Handhabung von Bauteilen 20 aus Magnetwerkstoffen
im bereits aufmagnetisierten Zustand schwieriger und die Verletzungsgefahr
größer als
im Falle von Bauteilen 20 im noch nicht aufmagnetisierten
Zustand. So können
die oben beschriebenen Fertigungsfehler durch Einsatz von Bauteilen 20 im
noch nicht aufmagnetisierten Zustand zumindest reduziert werden. Nachteilig
ist jedoch in solchen Fällen,
dass diese Bauteile 20 – wie bereits erwähnt – dann anschließend im
montierten Zustand über
einen separaten, zusätzlichen
Prozess durch ein äußeres Magnetfeld aufmagnetisiert
werden müssen.
Dieser Prozess ist aber an einem vollständigen Rotor sehr schwierig und üblicherweise
wird nicht die gleiche Qualität
der Magnetisierung erreicht wie bei einer externen Magnetisierung.
So werden im Magnetisierungsprozess insbesondere die Kanten der
Bauteile 20 nicht von Feldlinien des äußeren Magnetfeldes erreicht,
so dass daraus nicht magnetisierte Bereiche der Bauteile 20 verbleiben.
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Je
mehr Magnettaschen
25 in einem Rotor
15 mit jeweils
einem Magneten zu füllen
sind, desto größer ist
die Möglichkeit
von Fertigungsfehlern. Nicht selten sind eine Vielzahl von Magnettaschen
25 mit
jeweils einem Bauteil
20 aus Magnetwerkstoffen vorgesehen.
In der
EP 0 954 092
B1 wird beispielsweise eine elektrische Synchronmaschine
beschrieben, wobei der Rotor der Synchronmaschine einen Rotorjoch
mit zwölf
Magnetöffnungen
aufweist. In die Magnetöffnungen
sind – wie
bekannt – Permanentmagnete
eingefügt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
elektrische Synchronmaschine 1 und das Verfahren zu ihrer
Herstellung nach Anspruch 1 bzw. 8 hat den Vorteil, dass durch eine
sichere und vereinfachte Fertigung der Synchronmaschine 1 die Fertigungsfehler
zumindest weitgehendst beseitigt wird. Die Montage der Bauteile 20 aus
einem Magnetwerkstoff am Rotor und damit auch die fertige Synchronmaschine 1 wird
zuverlässiger,
und zwar sowohl bei einer manuellen als auch maschinellen Fertigung.
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Insbesondere
werden die Bruchgefahr an den Bauteilen 20 und die Verletzungsgefahr
beim Arbeitspersonal stark reduziert. Auch das Verschmieren des
Klebstoffs wird vollständig
vermieden, so dass am Ende der Fertigung ein sauberes Produkt bereitgestellt
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben
und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
elektrische Synchronmaschine,
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1b einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 1a,
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2 das
Einfügen
eines Bauteils aus einem Magnetwerkstoff in eine Magnettasche,
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3a das
erfindungsgemäße Zusammenfügen von
Bauteilen und Rotorteilen zu einem Rotor,
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3b eine
erfindungsgemäße Synchronmaschine,
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4a bis 4d ein
weiteres Zusammenfügen
von Bauteilen aus Magnetwerkstoffen und Rotorteilen zu einem Rotor,
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4e einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 4d,
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5a eine
weitere erfindungsgemäße Synchronmaschine,
und
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5b einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 5a.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Um
die beschriebenen Fertigungsfehler zu beseitigen bzw. zumindest
stark zu reduzieren, wird eine elektrische Synchronmaschine mit
einem Stator, einer elektrischen Wicklung und einem Rotor mit Permanentmagneten
vorgeschlagen, wobei der Rotor mindestens ein erstes und ein zweites
Rotorteil aufweist und die Permanentmagnete zwischen dem ersten
und dem zweiten Rotorteil angeordnet sind. Zur Herstellung einer
solchen elektrischen Synchronmaschine wird grundsätzlich ein
Verfahren mit folgenden Schritten durchgeführt:
- a)
Anbringen von Bauteilen aus Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten
oder nicht aufmagnetisierten Zustand auf ein erstes oder zweites
Rotorteil,
- b) Zusammenfügen
der beiden Rotorteile zu einem Rotor derart, dass die Bauteile aus
Magnetwerkstoffen zwischen den beiden Rotorteilen angeordnet werden
und bei Bedarf Aufmagnetisieren der Bauteile, und
- c) Zusammenfügen
des Rotors und des Stators mit der elektrischen Wicklung zu einer
elektrischen Synchronmaschine.
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Mit
Zeichnungen in der 3a wird ein erstes Ausführungsbeispiel
beschrieben. Zunächst
werden ein erstes 30 und ein zweites Rotorteil 35,
die zusammengefügt
einen Rotor 15 bilden, bereitgestellt. Gemäß Schritt
a) werden Bauteile 20 aus Magnetwerkstoffen auf ein Rotorteil 30, 35 angebracht,
hier im Beispiel auf Außenseiten
des zweiten Rotorteils 35. Geeignete Magnetwerkstoffe sind
Ferrite und Selten-Erd-Dauermagnete. Das Zusammenfügen wird
bevorzugt mittels eines Klebevorgangs durchgeführt, wobei der Klebstoff auf
Rotorteilen 30, 35 und/oder auf Bauteile 20 aufgebracht
sein kann. In einem weiteren Schritt b) werden die beiden Rotorteile 30, 35 derart
zu einem Rotor 15 zusammengefügt, dass die Bauteile 20 zwischen
den beiden Rotorteilen 30, 35 angeordnet werden.
Durch diese Vorgehensweise wird vermieden, dass die Bauteile 20 in
vorhandene Magnettaschen 25 eingefügt werden müssen und dabei Fertigungsfehler
verursachen. Stattdessen sind beim Anbringen der Bauteile 20 auf
ein Rotorteil 30, 35 noch keine vollständigen Magnettaschen 25 vorhanden,
vielmehr werden vollständige Magnetaschen 25 erst
beim Zusammenfügen
der Rotorteile 30, 35 gebildet. Zu diesem Zeitpunkt
sind aber die Bauteile 20 bereits an vorgesehenen Stellen angebracht
und fixiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann sowohl für
Bauteile 20 aus Magnetwerkstoff im bereits aufmagnetisierten
oder nicht aufmagnetisierten Zustand durchgeführt werden. Im letzten Fall
werden die Bauteile 20 nach dem Zusammenfügen der
beiden Rotorteile 15 aufmagnetisiert. Auf jeden Fall sind so
am Fertigungsschluss Permanentmagnete vorhanden. Die Bauteile 20 und
damit die Permanentmagnete weisen bevorzugt eine blockförmige Gestalt auf.
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Schließlich wird
in einem Schritt c) der Rotor 15 mit einem Stator 5 und
einer elektrischen Wicklung zu einer Synchronmaschine 1 zusammengefügt (3b).
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Im übrigen kann
das erste 30 und/oder das zweite Rotorteil 35,
also der Rotor 15, wie auch der Stator 5 in Form
von Lamellen oder Blechen vorliegen. In solchen Fällen ist
der Rotor 15 dann eine Läuferlamelle und der Stator 5 eine
Ständerlamelle.
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Wie
z. B. aus 3a oder 4d erkennbar, ist
typischerweise das erste Rotorteil 30 durch ein Außen- und
das zweite Rotorteil 35 durch ein Innenrotorteil ausgebildet.
Das Innenrotorteil ist, wie die Bezeichnung schon andeutet, im inneren
Bereich des Rotors 15 angeordnet, während das Außenrotorteil
den äußeren Bereich
des Rotors 15 ausmacht. Dadurch wird ein zuverlässiges Zusammenhalten
der Rotorteile 30, 35 erzielt. Weiter ist es günstig, wenn das
Innenrotorteil flächig
vom Außenrotorteil
vollständig
umgeben ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
werden, um im Rotor 15 der Synchronmaschine 1 eine größere mechanische
Festigkeit zu gewährleisten, ein
erstes 30 und ein zweites Rotorteil 35 bereitgestellt
(4a), die mit einem Formschluss miteinander verbunden
werden. Dabei sind alle Formen wie beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung geeignet,
die eine Relativbewegung zwischen den beiden Rotorteilen 30, 35 durch
Ineinandergreifen entsprechend geformter Rotorteile 30, 35 verhindern. Dadurch
wird eine hohe mechanische Stabilität insbesondere gegen die Fliehkräfte bei
hohen Drehzahlen erzielt. Das Anbringen von Bauteilen 20 aus
Magnetwerkstoffen wird nun am mit Klebstoff versehenen Außenrotorteil
durchgeführt
(Schritt a), 4b), danach die beiden Rotorteile 30, 35 zusammengefügt (Schritt
b), 4c). Beim zusammengefügten Rotor 15 in 4d und
besonders im vergrößerten Ausschnitt
in 4e ist der Formschluss 40 gut zu erkennen.
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Im übrigen kann
natürlich
die Anzahl der Permanentmagnete in einem Rotor 15 mehr
als zwei betragen. Sie ist bevorzugt gerade, inbesondere zwei oder
vier. Ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit vier Magneten ist in 5a dargestellt.
In einem vergrößerten Ausschnitt
gemäß 5b ist auch
ein weiteres Beispiel für
ein Formschluss gegeben.