DE102005060118A1

DE102005060118A1 - Rotor für einen elektrischen Motor

Info

Publication number: DE102005060118A1
Application number: DE102005060118A
Authority: DE
Inventors: Niels Christian Weihrauch; Peter Scavenius Andersen
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-07-06
Also published as: ITTO20050888A1; US7619343B2; CN1819403B; US20060131977A1; CN1819403A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für einen elektrischen Motor. Der Rotor (1) umfasst sowohl einen Kurzschlussanker (5) als auch eine Anzahl von Magneten und kann z. B. in einen Line-Start-Motor eingesetzt werden. Um die Magneten in Hohlräumen in einem Kern (3) des Rotors (1) zu sichern, ist eine Endplatte an einer axialen Endfläche durch Nietmittel befestigt, und um die Herstellung des Rotors (1) zu vereinfachen, sind die Nietmittel Teil von mindestens einem der Kurzschlussringe (5) des Kurzschlussankers.

Description

EINLEITUNG
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen elektrischen Motor, z.B. einen Line-Start-Motor. Der Rotor hat einen Rotorkern aus einem magnetisch leitenden Material und einen Kurzschlussanker, der in Verbindung mit dem Kern gegossen wird. Der Kurzschlussanker umfasst sich axial erstreckende Leiter und axial gegenüberliegende Kurzschlussringe, die aus einem elektrisch leitenden Material gegossen sind. In einer axialen Endfläche umfasst der Kern eine Öffnung in einen Hohlraum, in dem ein Magnet angebracht ist. Um den Magneten in dem Hohlraum zu sichern, umfasst der Rotor eine Endplatte, die zumindest teilweise die Endfläche deckt. Die Endplatte ist mit Nieten auf dem Kern befestigt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Typ von allgemein bekannten elektrischen Motoren weist ein Stator Wicklungen auf, in denen ein elektrisches Feld ein rotierendes magnetisches Feld bildet. Im oder am äußeren Umfang des Stators ist ein Rotor drehbar gelagert um unter dem Einfluss des magnetischen Feldes zu rotieren. Es gibt verschiedene Prinzipien. In einem Synchronmotor wird der Rotor magnetisiert oder weist einen Satz von Permanentmagneten auf. Dieser Motortyp ist einfach und zuverlässig und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors entspricht der Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes in den Statorwicklungen. In gewissen Anwendungen hat der Synchronmotor aber eine unpassende Anlaufcharakteristik.
In Asynchronmotoren weist der Rotor hauptsächlich sich längserstreckende Wicklungen auf, die an sich axial gegenüberliegenden Enden des Rotors durch Kurzschlußringe mit einander verbunden sind. Typisch weist ein Rotor für einen Asynchronmotor einen Rotorkern aus einem magnetisch leitenden Material auf, und außerdem einen Kurzschlußanker, in dem die Wicklungen und die Kurzschlußringe einstückig aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. Aluminium, gebildet sind. Der Rotor kann als Blechpaket ausgebildet sein, in dem jedes Blech eine Öffnung aufweist, die, gemeinsam mit Öffnungen in anderen Blechen, Leiterschlitze bilden, die sich axial durch den Rotor hindurch erstrecken, Nach dem Zusammenbau der Bleche zu einem Rotorkern werden Leiterstäbe, die die Wicklungen bilden, direkt in den Leiterschlitzen gegossen, wobei die Schlitze als Form angewandt werden, und die Kurzschlußringe werden einstückig mit den Stäben gegossen. Im Betrieb wird elektrischer Strom durch das vom Stator erzeugte Magnetfeld in die Rotorwicklungen induziert, und auf Grund eines Wechsels zwischen dem elektrischen Feld der Statorwicklungen und der Rotorwicklungen fängt der Rotor zu rotieren an. Solche Motoren haben gute Anlaufcharakteristiken, um aber die Induzierung eines elektrischen Feldes in die Rotorwicklungen fortzusetzen, muss sich das elektrische Feld des Stators ständig im Verhältnis zu den Rotorwicklungen bewegen. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors wird daher immer niedriger sein als die Drehgeschwindigkeit des elektrischen Feldes im Stator. Um die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erhöhen, weist ein Rotor für einen Line-Start-Motor zusätzlich zu den Wicklungen einen Satz von Permanentmagneten auf, wobei ein Line-Start-Motor die Vorteile von synchronen und asynchronen Motoren kombiniert.
Bei der Herstellung von Line-Start-Motoren ist die Befestigung der Permanentmagneten im Rotorkern ein empfindlicher Prozess. Da eine erhöhte Temperatur beim Gießen des Kurzschlußankers die Permanentmagneten beeinflussen oder sogar zerstören kann, möchte man die Magneten nach dem Gießen des Kurzschlußankers in den Kern einsetzen. Deshalb wird der Kern typisch mit Schlitzen für die Magneten und mit Öffnungen in einer Endfläche des Rotors gemacht. Die Öffnungen sind groß genug um zu erlauben, dass die Magneten nach dem Gießprozeß in die Schlitze eingesetzt werden. Wenn die Magneten in die Schlitze eingesetzt worden sind, müssen sie stabil befestigt werden, um eine Verschiebung der Magnete während der Rotation des Rotors zu vermeiden. Dafür weisen einige Rotoren abschließende Endplatten auf, die die Öffnungen schließen oder zumindest die Größe der Öffnungen reduzieren, um zu verhindern, dass die Magneten aus den Schlitzen fallen. In den bisher bekannten Motoren wird die Endplatte z.B. durch eine herkömmliche Niete oder Nagel fixiert, die sich durch eine Öffnung in der Endplatte und in den Kern des Rotors hinein erstreckt, in dem die Niete verankert ist, oder die Endplatte wird mit der Endfläche verklebt. In jedem Fall erhöht die Befestigung der Endplatte an der Endfläche des Rotors die Komplexität und die Kosten der Herstellung des Rotors.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung des Herstellungsprozesses. In Übereinstimmung mit diesem Ziel stellt die Erfindung einen Rotor wie eingangs erwähnt bereit, in dem Nietmittel Teil von zumindest einem der Kurzschlussringe bilden. Aufgrund der Reduzierung der Anzahl von Komponenten in der Konstruktion, werden ein einfacheres Design und gegebenenfalls auch ein kostengünstigerer und zuverlässigerer Motor unterstützt.

Der Kern kann aus Platten eines magnetisch leitenden Materials gemacht sein, z.B. ein eisenhaltiges Material. Die Platten können bei einem Verriegelungsprozess gemacht und montiert werden. Der Hohlraum für den Magneten kann durch Löcher in jeder der Platten gebildet sein. Wenn die Platten gestapelt werden, bilden die Löcher sich im wesentlichen längserstreckenden Schlitze, in denen die Magnete angebracht werden können. Der Hohlraum kann eine Form haben, die der Form des Magneten genau entspricht, um den Magneten eng zu umschließen. Vorzugsweise haben der Magnet und der Hohlraum rechteckige Querschnittformen, und vorzugsweise erstrecken sich die Hohlräume durch den Rotorkern von einer ersten axialen Endfläche zu einer gegenüberliegenden zweiten axialen Endfläche mit gleichartiger Querschnittgrösse und -form. Zusätzlich dazu und in ähnlicher Weise, können Leiterschlitze im Umfang des Rotors in der gestapelten Rotorstruktur gebildet sein, wobei die Wicklungen des Kurzschlussankers in diese Schlitze gegossen werden können.

Die Nietmittel sind ein integrierter Teil von mindestens einem der Kurzschlussringe und bilden einen sich am Umfang erstreckenden Vorsprung an der Endfläche des Rotors. Der Vorsprung kann eine Form haben, die der Form der Endplatte entspricht, so dass der Vorsprung die Endplatte umgibt, wenn die Endplatte an einer axialen Endfläche des Kerns angebracht ist. Um die Endplatte an der Endfläche zu befestigen wird der Vorsprung deformiert, z.B. durch die Anwendung eines Prägewerkzeugs, das gegen den Vorsprung gepresst wird. Der Vorsprung kann z.B. ein ringförmiger Vor sprung sein. Um eine rotierende Indexierung des Rotors zu verhindern, wenn ein Einschnitt zwecks Deformierung des Vorsprungs im Verhältnis zum Vorsprung korrekt positioniert werden soll, kann der ringförmige Vorsprung in einem Querschnitt rechtwinklig zur Rotationsachse des Rotors kreisförmig sein. In einem radialen Querschnitt kann der Vorsprung dreieckig sein, so dass der Vorsprung axial außen in einer relativ scharfen Spitze endet, was die Deformierung vereinfacht.

Der Kurzschlussanker wird z.B. dadurch gemacht, dass der Kern in einer Form einer Spritzgiessmachine angebracht wird, in die ein elektrisch leitendes Material eingespritzt wird, um nicht nur die sich im wesentlichen längserstreckenden Leiter, sondern auch die beiden sich axial gegenüberliegenden Kurzschlussringe und die Nietmittel einstückig auszubilden. Der Kurzschlussanker kann vorzugsweise aus Aluminium oder aus einer aluminiumhaltigen Legierung gegossen werden, die elektrisch leitend ist und vorzugsweise auch weich im Verhältnis zu dem elektrisch leitenden Material, so dass die Nietmittel bei der Befestigung der Endplatten verhältnismäßig leicht deformiert werden.

Um ein Ende des Hohlraumes für den Magneten zu schließen könnte eine Endplatte eines ersten Typs hergestellt und bei dem Verriegelungsverfahren, bei dem der Kern hergestellt wird, auf einer ersten axialen Endfläche des Kerns befestigt werden. Nachfolgend könnte der Kurzschlussanker direkt in die Schlitze für die Leiter in dem Kern gegossen werden, wobei eine Öffnung in der zweiten axialen Endfläche offen gelassen wird, zum Einsetzen des Magneten in den Hohlraum für den Magneten nach dem Giessen des Kurz schlussankers. In dieser Weise können die Magneten gegen die hohen Temperaturen geschützt werden, die bei dem Giessprozess erzeugt werden. Schließlich kann eine Endplatte eines zweiten Typs auf einer zweiten axialen Endfläche befestigt werden, um die Magneten in den Magnethohlräumen zu sichern. Die Endplatte des zweiten Typs wird durch Deformierung der Nietmittel auf dem Kern befestigt, so dass ein Teil der Nietmittel die Endplatte deckt. Die Endplatten vom ersten und/oder vom zweiten Typ sind vorzugsweise aus einem magnetisch leitenden Material gemacht, und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Platten des Rotorkerns. Die Endplatten sind mit Löchern versehen, deren Querschnitt mindestens genau so gross oder größer ist wie der Querschnitt des Hohlraumes, oder mindestens genau so gross oder größer wie der Querschnitt der Öffnung der Endfläche in den Hohlraum. Die Form der Löcher kann sich aber von der Form der Öffnung in der Endfläche unterscheiden, oder das Loch kann in bezug auf seine Lage über der Öffnung in der Endfläche versetzt sein, so dass ein Grossteil der Öffnung in den Hohlraum in Verbindung mit dem Loch ist, und so dass ein restlicher, kleiner Teil des Hohlraumes von der Endplatte gedeckt ist um den Magneten im Hohlraum zu sichern. Ein Grossteil könnte sein, dass mehr als 50 Prozent sein, z.B. mehr als 75 Prozent oder sogar mehr als 95 Prozent, oder mehr als 99 Prozent vom Querschnittbereich des Loches in Verbindung mit der Öffnung in den Hohlraum ist. Vorzugsweise umfasst der Rotor eine Vielzahl von Magneten, z.B. angebracht symmetrisch um eine sich radial erstreckende Symmetrieachse, z.B. die Rotationsachse des Rotors im Motor. In einer Ausführung ist das Loch bogenförmig oder ist Teil eines Kreises, der sich symmetrisch um die Mittelachse erstreckt. Zum Beispiel könnte ein kreisförmiges Loch in eine Anzahl von Segmenten aufgeteilt werden, die von Brückenteilen getrennt sind. In dieser Ausführung könnte einer der Magneten durch die innere Umfangskante in dem Hohlraum gehalten werden, und ein benachbarter Magnet könnte von der äußeren Umfangskante im Hohlraum gehalten werden.

Um wiederholte Befestigungen und Abtrennungen der Endplatte am Rotorkern zu erlauben, kann die Endplatte einen Umfangsrand mit einem ersten Randteil und einem zweiten Randteil aufweisen, der unterschiedliche radiale Abstände zur Mittelachse bildet. In dieser Weise könnte die Endplatte an der Endfläche des Rotorkerns befestigt werden, z.B. durch Nieten entlang der Kante, und wenn die Endplatte entfernt werden muss, z.B. zwecks Umtausch der Magneten, könnte die Endplatte gedreht werden, so dass die schon existierenden Nietpunkte nicht den Randteil stören, der den größten radialen Ausmaß der Endplatte hat.

In einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung eine Methode zur Befestigung einer Endplatte an einer Endfläche eines Rotors, der folgendes aufweist:

– einen Kern aus einem magnetisch leitenden Material
– einen Kurzschlussanker mit sich axial erstreckenden Leitern und sich axial gegenüber angebrachten Kurzschlussringen
– einen Magneten angebracht in einem Hohlraum im Kern, wobei der Hohlraum eine Öffnung in einer axialen Endfläche des Rotors aufweist, wobei die Öffnung eine erste Kante bildet, und das Einsetzen des Magneten in den Hohlraum erlaubt, wobei der Magnet von der Endplatte in dem Hohlraum gehalten wird
– Nietmittel, die Teil des Kurzschlussankers sind

dadurch gekennzeichnet, dass die Nietmittel deformiert werden um einen Teil der Endplatte zu decken.

Die Methode kann alle Stufen umfassen, die erforderlich sind um einen Rotor nach der Beschreibung in bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung zu beschaffen.

NÄHERE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung unter Hinweis auf den Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
1 einen Rotor nach der Erfindung
2 eine Ansicht einer Platte für einen Rotorstapel
3 vergrößerte Ansicht der Nietmittel, die Teil eines Kurzschlussringes sind
4-5 vergrößerte Ansicht der Nietmittel nach der Deformierung
6-7 unterschiedliche Ausführungen von Endplatten für den Rotor
1 zeigt einen Rotor 1, gehalten in einem Stator zwecks Drehung um eine Mittelachse 2. Der Rotor umfasst einen Rotorkern 3 mit ersten und zweiten, sich axial gegenüberliegenden Endflächen 4. Weiter umfasst der Rotor erste und zweite, sich axial gegenüberliegende Kurzschlussringe 5, die den sich axial erstreckenden Wicklungen 6 angreifen. Der Rotor ist montiert mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt), die sich durch die Öffnung 7 erstreckt, und in Drehlagern unterstützt ist, um die Drehung des Rotors im Verhältnis zum Stator (nicht gezeigt) zu erlauben. Der Rotor besteht aus Blechen eines Metalls, die zur Ausbildung eines laminierten Kerns gestapelt werden. Jedes Blech weist eine Öffnung auf, die, zusammen mit anderen Blechen, Leiterschlitze bilden, die sich axial durch den Rotor hindurch erstrecken. Nach der Montage der Bleche zu einem Rotorkern werden leitende Stangen, die die Wicklungen bilden, direkt in die Leiterschlitze gegossen, wobei die Schlitze als Form angewandt werden, und die Kurzschlussringe werden als integrierte Teile der Stangen gegossen. Um die Geschwindigkeit des Rotors zu erhöhen, werden sechs Permanentmagneten in sich axial erstreckende Schlitze eingesetzt.
2 zeigt eine Draufsicht auf einem Typ der Metallbleche 8 des Rotorstapels, in denen die Öffnungen 9 Teil der Leiterschlitze bilden, wenn eine Vielzahl von Blechen zur Bildung der laminierten Rotorstruktur gestapelt werden. An zwei sich radial gegenüberliegenden Stellen sind die Leiterschlitze 10 länger und breiter um eine Blockierung für den magnetischen Fluss zu bilden. Im montierten Zustand bilden die rechteckigen Öffnungen 11 Hohlräume für Permanentmagneten, die in Öffnungen in einer der beiden sich axial gegenüberliegenden Endflächen des Rotors eingesetzt werden, um einen Line-Start-Motor zu bilden. Die mittlere Öffnung 12 ist Teil der sich axial erstreckenden Öffnung durch den Rotor für die Antriebswelle.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Nietmittel 13, die Teil von einem der Kurzschlussringe sind. Die dargestellten Nietmittel bilden einen kreisrunden, sich auf den Umfang erstreckenden Vorsprung der Endfläche. 4 zeigt eine Ansicht, in der eine Endplatte 14 an einer axialen Endfläche des Rotors angebracht ist, wobei der Vorsprung an vier ausgewählten Stellen 15 deformiert wird um einen Umfangsrandteil 16 der Endplatte zu decken, um die Endplatte auf dem Kern zu befestigen. Aus der vergrößerten Ansicht sieht man deutlich, wie die deformierte Stelle 17 die Endplatte 14 auf dem Kern 18 befestigt. Der Umfang der Endplatte ist von dem Vorsprung eng umgeben.
Die 6 und 7 zeigen zwei verschiedene Ausführungen einer Endplatte 19, 20. Die Endplatte ist befestigt auf einer axialen Endfläche des Rotorstapels und beendet dabei dieses Ende des Rotorstapels und sichert die Magneten in den Hohlräumen. Um die Herstellungskosten so niedrig wie möglich zu halten, ist die Endplatte aus dem gleichen Material gemacht wie die anderen Platten des Rotorstapels, und zwar einem magnetisch leitenden Material. Um die Magneten nicht kurz zu schließen, sind Löcher 21 in Verbindung mit den Öffnungen in den Hohlräumen für die Magneten angebracht. Um die Magneten in den Hohlräumen zu sichern, sind die Löcher in den Endplatten nicht kongruent in bezug auf die Öffnungen in den Magnethohlräumen. Der Rotor ist mit sechs rechteckigen Öffnungen in die Hohlräume für die Magneten versehen, und die Endplatte hat vier bogenförmige Löcher, die symmetrisch um den Mittelpunkt der Endplatte angebracht sind. Der Vorteil dieser Form ist, dass die Endplatte frei mit dem Rotorstapel verbindbar ist, ohne eine Versetzung zwecks Positionierung der Löcher der Endplatte im Verhältnis zu den Öffnungen in die Magnethohlräume überlegen zu müssen.
Bei der Herstellung wird der Rotorkern in einem Verriegelungsprozess hergestellt, in dem eine Anzahl von Platten zwecks Bildung eines Großteils des Rotorkerns gestapelt werden. An einem Ende sind die Öffnungen in die Hohlräume der Magneten begrenzt um zu verhindern, dass die Magneten an diesem Ende aus den Hohlräumen fallen. Die Öffnungen können begrenzt sein, z.B. durch die Befestigung einer Endplatte am Rotorkern. Nach dem Giessprozess, wenn das Werkstück abgekühlt ist, werden die Magnete in die Magnethohlräume durch die Endfläche eingesetzt, die nicht mit einer Endplatte versehen ist, und eine der Platten 19, 20 wird an der Endfläche befestigt um die Magneten in den Hohlräumen zu sichern. Die Endplatte wird durch Deformierung der Nietmittel am Rotorstapel befestigt.
7 zeigt eine Endplatte 20 mit einem Umfangsrand mit einem ersten Randteil 22 und einem zweiten Randteil 23, die verschiedene radiale Abstände zum Mittelpunkt der Endplatte bilden. Die Endplatte erleichtert ein erneutes Befestigen, z.B. beim Austausch von Magneten. Wenn die Endplatte entfernt werden muss, wird der Teil von deformierten Stellen der Nietmittel, der die Endplatte deckt, entfernt. Anschließend kann die Endplatte wieder am Kern befestigt werden, und zwar durch eine Rotierung der Endplatte im Verhältnis zur vorherigen Placierung, so dass der Randteil 22 an den schon deformierten Stellen angebracht wird, während neue Deformierungen gebildet werden um die Endplatte an den Randteilen 23 zu decken.

Claims

Ein Rotor (1) für einen elektrischen Motor, wobei der Rotor folgendes umfasst: – einen Kern aus einem magnetisch leitenden Material, – einen Kurzschlussanker (5, 6) mit sich axial erstreckenden Leitern (6) und axial gegenüber angebrachten Kurzschlussringen (5), gegossen aus einem elektrisch leitenden Material, – ein Magnet angebracht in einem Hohlraum im Kern, wobei der Hohlraum eine Öffnung (11) in einer axialen Endfläche des Rotors aufweist, durch welche Öffnung der Magnet in den Hohlraum eingesetzt werden kann, – eine Endplatte (14, 19, 20), die die Endfläche deckt und den Magneten im Hohlraum sichert, und – Nietmittel (13, 17) zur Befestigung der Endplatte am Kern, dadurch gekennzeichnet, dass die Nietmittel Teil eines ersten der Kurzschlussringe (5) sind.
Ein Rotor nach Anspruch 1, in dem die Nietmittel einen Vorsprung umfasst, der sich am Umfang der Endfläche erstreckt.
Ein Rotor nach Anspruch 2, in dem sich der Kurzschlussring und die Nietmittel kreisförmig um eine Rotationsachse des Rotors erstrecken.
Ein Rotor nach Anspruch 3, in dem die Nietmittel radial näher der Rotationsachse angebracht sind wie der Kurzschlussring.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2-4, in dem die Form des Vorsprunges zur Form der Endplatte passt, um die Endplatte eng zu umgeben.
Ein Rotor nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Vorsprung in einer radialen Querschnittsansicht dreieckig ist.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2-6, in dem sich der Vorsprung einen ersten Abstand in Axialrichtung erstreckt, wobei dieser erste Abstand in der Größenordnung 1/10 bis 1/20 des Abstandes ist, den sich der Kurzschlussring in Axialrichtung erstreckt.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2-7, in dem sich der Vorsprung einen zweiten Abstand in einer Radialrichtung erstreckt, der senkrecht zu der Axialrichtung ist, wobei der zweite Abstand in der Größenordnung 1/5 bis 1/10 des Abstandes ist, den sich der Kurzschlussring in Radialrichtung erstreckt.
Eine Methode zur Befestigung einer Endplatte an einer Endfläche eines Rotors, der folgendes umfasst: – einen Kern aus einem magnetisch leitenden Material, – einen Kurzschlussanker mit sich axial erstreckenden Leitern und axial gegenüber angebrachten Kurzschlussringen, – ein Magnet angebracht in einem Hohlraum im Kern, wobei der Hohlraum eine Öffnung in einer axialen Endfläche des Rotors aufweist, durch welche Öff nung der Magnet in den Hohlraum eingesetzt werden kann, – Nietmittel, die Teil eines ersten der Kurzschlussringe sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nietmittel (17) deformiert werden um einen Teil der Endplatte zu decken.
Eine Methode nach Anspruch 9, in dem die Nietmittel in vielen auf einander folgenden Deformierungsschritten deformiert werden.