DE102005060119A1

DE102005060119A1 - Ein Rotor mit Permanentmagneten gesichert durch eine Deformierung des Rotors

Info

Publication number: DE102005060119A1
Application number: DE102005060119A
Authority: DE
Inventors: Niels Christian Weihrauch
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für einen elektrischen Motor, insbesondere einen Line-Start-Motor, in dem der Rotor (1) einen Kern (3) mit Schlitzen aufweist, in denen sich axial erstreckende Leiterstäbe (5) von Kurzschlussringen (4) verbunden sind, um einen Kurzschlussanker (4, 5) zu bilden. Der Rotor (1) umfasst weiter Permanentmagneten, die in einem Hohlraum des Kerns angebracht sind. Die Magneten sind mit einer Niete im Kern befestigt, die einen Teil des Kerns in den Hohlraum hinein deformiert. Die Niete ist aus einem Material gemacht, das im Verhältnis zu dem Material des Kerns weich ist, und die Magneten sind somit während der Befestigungsprozedur gegen einen übermäßigen Druck geschützt.

Description

EINLEITUNG
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen elektrischen Motor und eine Methode zur Herstellung eines solchen Rotors. Der Rotor umfasst einen Kern, hergestellt aus einem magnetisch leitenden Material, und einen Magneten, angebracht in einem ersten Hohlraum im Kern. Der erste Hohlraum umfasst eine erste Öffnung, gebildet in einer axialen Endfläche des Rotors. Die Öffnung ist für das Einsetzen des Magneten in den ersten Hohlraum dimensioniert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Typ von allgemein angewandten elektrischen Motoren umfasst ein Stator Wicklungen, in denen ein elektrisches Feld ein rotierendes magnetisches Feld bildet. In oder am Aussenumfang des Stators ist ein Rotor drehbar gelagert zwecks Rotation unter dem Einfluss des magnetischen Feldes. 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 Drehgeschwindigkeit des Rotors entspricht der Drehgeschwindigkeit des elektrischen Feldes in den Statorwicklungen. In gewissen Anwendungen hat der Synchronmotor aber unpassende Starteigenschaften. In Asynchronmotoren umfasst der Rotor hauptsächlich sich längserstreckende Wicklungen, die an sich axial gegenüberliegenden Enden des Rotors von Kurzschlussringen verbunden sind. Typisch umfasst ein Rotor für einen Asynchronmotor einen Rotorkern aus einem magnetisch leitenden Material und einen Kurzschlussanker in dem die Wicklungen und die Kurzschlussringe aus elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, einstückig gegossen werden. Der Rotor könnte aus Blechen laminiert sein, wobei jedes Blech eine Öffnung aufweist, die, zusammen mit anderen Blechen, Leiterschlitze bildet, die sich axial durch den Rotor hindurch erstrecken. Nach der Montage der Bleche zu einem Rotorkern werden Leiterstäbe, die die Wicklungen bilden, direkt in den Leiterschlitzen gegossen, wobei die Schlitze als Form verwendet werden, und die Kurzschlussringe werden als integrierte Teile der Stäbe gegossen. Im Gebrauch wird ein elektrischer Strom von dem im Stator gebildeten magnetischen Feld in die Wicklungen des Rotors induziert und auf Grund eines Wechsels zwischen dem elektrischen Feld in den Wicklungen des Stators und den Wicklungen des Rotors, beginnt der Rotor zu rotieren. Solche Motoren haben gute Starteigenschaften, da sich aber das elektrische Feld des Stators im Verhältnis zu den Wicklungen des Rotors bewegen muss, um ein elektrisches Feld in die Wicklungen des Rotors zu induzieren, wird die Drehgeschwindigkeit des Rotors immer niedriger sein als die Drehgeschwindigkeit des elektrischen Feldes im Stator. Um die Geschwindigkeit des Rotors zu erhöhen, umfasst ein Rotor für einen Line-Start-Motor, zusätzlich zu den Wicklungen, einen Satz von Permanentmagneten, und ein Line-Start-Motor kombiniert dadurch die Vorteile von synchronen und asynchronen Motoren.
Bei der Herstellung von Line-Start-Motoren ist die Befestigung von 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 Hohlräumen für die Magneten und mit Öffnungen in einer Endfläche des Rotors gemacht, wobei die Öffnungen so gross sind, dass sie nach dem Giessprozess die Magneten aufnehmen können. Wenn die Magneten in die Hohlräume eingesetzt werden, müssen sie stabil befestigt werden, um Verschiebungen während der Rotation des Rotors zu vermeiden. Für diesen Zweck umfassen einige Rotoren Endplatten, die die Öffnungen schließen oder zumindest ihre Größe vermindern, um zu verhindern, dass die Magneten aus den Hohlräumen hinausfallen. Diese Lösung bedeutet aber zusätzliche Komponenten und Prozesse zur Befestigung der Platte an der Endfläche.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung von elektrischen Motoren, insbesondere Line-Start-Motoren, durch die Bereitstellung eines Rotors, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnet durch eine Deformierung der Öffnungskante in dem ersten Hohlraum gesichert ist.

Auf Grund der Einfachheit des Motors, der keine zusätzlichen Verriegelungskomponenten zur Sicherung der Magneten aufweist, kann gegebenenfalls ein kostengünstigerer und zuverlässigerer Motor gemacht werden.

Permanentmagneten sind typisch leicht zerbrechlich, und wenn die Magneten durch Deformierung der Endfläche in dem Kern befestigt werden, sollte die Deformierung genau überwacht werden, damit die Magneten nicht zerstört werden. Um die Magneten gegen mechanische Überlastung zu schützen und um übermäßige Kräfte zu vermeiden, kann der Rotor eine Niete aufweisen, deren Material weich ist in Verhältnis zu dem magnetisch leitenden Material, und die in einem zweiten Hohlraum des Kerns angebracht ist. Die Niete umfasst eine Endfläche, die sich in einer zweiten Öffnung der axialen Endfläche des Rotors zeigt, wobei der erste und der zweite Hohlraum durch eine Brücke aus dem magnetisch leitenden Material getrennt sind.

Um den Magneten im Hohlraum zu befestigen wird die Niete deformiert, z.B. durch einen Schlag in der Mitte. Die deformierte Niete übt dabei einen Druck auf die Brücke aus dem magnetisch leitenden Material aus, das in den ersten Hohlraum deformiert, wobei es den Magneten in dem Hohlraum befestigt. Da die Niete im Verhältnis zum magnetisch leitenden Material weich ist, ist der Druck, den das magnetisch leitende Material auf den Magneten ausübt, zu einem Punkt begrenzt, an dem das weichere Nietenmaterial beginnt aus dem zweiten Hohlraum zu fließen. An diesem Punkt wird die Festhaltung des Magneten im ersten Hohlraum von dem magnetischen Material wahrgenommen. Entsprechend schützt das weichere Nietenmaterial den Magneten durch eine Entlastung des Druckes über einen gewissen Punkt. Die Niete kann in einer oder beiden axialen Endflächen des Rotors vorgesehen sein.

Der Rotor kann als laminierte Struktur aus einer Vielzahl von Platten aus einem eisenhaltigen Blech in einem Verriegelungsprozess hergestellt werden. Die Niete kann aus einem weicheren Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt, z.B. einstückig mit dem Kurzschlussanker gegossen werden. Für diesen Zweck können einige der Schichten der laminierten Struktur Kanäle zwischen Leiterschlitzen für die Leiterstäbe und den zweiten Hohlraum bilden. Bei der Herstellung werden die Bleche gestapelt zur Bildung einer laminierten Struktur mit den ersten Hohlräumen für die Magnete und mit Leiterschlitzen und Kanälen, die von den Schlitzen in die zweiten Hohlräume führen. Anschließend wird der Kern in der Form einer Spritzgiessmaschine angebracht, und die Leiterstäbe, die Nieten und die Kurzschlussringe werden einstückig gegossen.

Die Breite der Brücke bestimmt den Abstand zwischen den Nieten und den Magneten und die Breite liegt vorzugsweise im Bereich 0,1 bis 5 Mal der Dicke der Platten in der laminierten Struktur, vorzugsweise im Bereich 0,1 bis 0,5 Mal der Dicke der Platten oder im Bereich 0,20 mm bis 0,25 mm. Die zuletzt erwähnten Brückenbreiten sind besonders bevorzugt in bezug auf einen Bereich in der Nähe der Endfläche. Wenn der Rotor laminiert ist, kann die Brücke in einen ersten Brückenteil und einen zweiten Brückenteil geteilt werden, wobei der erste Brückenteil Teil einer Endplatte ist, die die Endfläche des Rotors bildet, und wobei der zweite Brückenteil Teil eines Stapels von Platten ist, der der Endfläche benachbart ist. In dieser Ausführung ist die Breite des zweiten Brückenteils vorzugsweise größer als die Breite des ersten Brückenteils. In dieser Weise wird der Umstand erleichtert, dass der erste Brückenteil unter Druck von der Niete deformiert wird, während der zweite Brückenteil dem Druck widersteht. Dadurch wird erreicht, dass die Brücke nur in einen oberen Teil des ersten Hohlraumes in der Nähe der Kante der Öffnung eindringt.

Die Niete kann vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Magneten angebracht werden um eine Flussbarriere zwischen den Magneten zu bilden, und die Brücke hat vorzugsweise eine annähernd gleichartige Breite, d.h. sie kann einen annähernd gleichartigen Abstand zwischen Niete und Magnet schaffen.

Es ist unumgänglich wichtig, dass der Einschnitt der Niete innerhalb einer verhältnismäßig engen Fläche an der Oberfläche der Niete erfolgt. Um den Rotor im Verhältnis zu dem zentrischen Dorn korrekt zu positionieren, kann der Rotor eine Versetzungsmarke aufweisen, z.B. einen Einschnitt, der den Rotor asymmetrisch macht. Die Versetzungsmarke kann in der Endfläche oder an einer Seitenoberfläche des Rotors gemacht werden, oder der Rotor kann einen nicht-kreisrunden Querschnitt haben.

In einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung eine Methode zur Herstellung eines Rotors mit

– einem Kern hergestellt aus einem magnetisch leitenden Material,
– einem Magneten angebracht in einem ersten Hohlraum in dem Kern, wobei der erste Hohlraum eine erste Öffnung in einer axialen Endfläche des Rotors zum Einsetzen des Magneten in den ersten Hohlraum aufweist,
– eine Niete hergestellt aus einem Material, das weich ist im Verhältnis zu dem magnetisch leitenden Material und die in einem zweiten Hohlraum im Kern angebracht ist, wobei die Niete eine Endfläche aufweist, die in einer zweiten Öffnung der axialen Endfläche des Rotors sichtbar ist,

wobei der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum von einer Brücke aus einem magnetisch leitenden Material getrennt werden, die eine Breite hat, die dem kleinsten Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum entspricht,
wobei der Magnet in dem ersten Hohlraum von einer Projektion der Brücke in den ersten Hohlraum hinein gehalten wird. Die Methode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion durch eine Verschiebung der Niete in die Brücke hinein gebildet ist. Insbesondere kann die Niete durch einstückiges Giessen mit einem Leiterstab eines Kurzschlussankers gebildet werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführung der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine Querschnittansicht eines Rotors nach der Erfindung
2 eine Draufsicht einer Endfläche des Rotors
3 eine Querschnittansicht einer Niete
4 die Niete, nach dem Versetzen des Schlags in der Mitte
5 eine Draufsicht einer Platte des laminierten Kerns, wobei die Platte einen Kanal zwischen dem Leiterschlitz und einem Hohlraum für die Niete bildet
6 eine Querschnittansicht der Niete und des Kanals
7 fünf Platten in der Ordnung, in der sie in einem Rotorkern erscheinen, von einer axialen Endfläche zur gegenüberliegenden axialen Endfläche.
Die 1 und 2 zeigen einen Rotor 1 für einen elektrischen Motor. Der Rotor ist zur Rotation um eine Mittelachse 2 unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes von einem Stator (nicht gezeigt) ausgelegt. Der Rotor ist für einen Line-Start-Motor gemacht und umfasst einen Kern 3 aus einem Material, das Eisen enthält und somit magnetisch leitend ist. Weiter umfasst der Rotor zwei Kurzschlussringe 4 angebracht an sich axial gegenüberliegenden Enden des Rotors. Die Kurzschlussringe sind Teil eines Kurzschlussankers mit Leiterstäben 5, die sich zwischen den Kurzschlussringen erstrecken und mit den Kurzschlussringen einstückig gegossen sind. Eine Vielzahl von Magneten 6 ist in Hohlräumen des Kerns angebracht. Um die Magneten im Kern zu befestigen, umfasst der Rotor Nieten 7 aus einem Material, das im Verhältnis zu dem magnetisch leitenden Material weich ist, wobei die Nieten in einem zweiten Hohlraum des Kerns angebracht sind. Die Niete umfasst eine Endfläche 8, die in einer Öffnung der axialen Endfläche 9 des Rotors sichtbar ist, und die eine Form hat, die zwischen zwei Magneten passt, so dass die Brücke 10 aus dem magnetisch leitenden Material, das den Kern bildet, die die Nieten von den Magneten trennt, weitgehend gleichartige Breiten hat. Die Niete ist durch einen zentrischen Dorn, vgl. Hinweisnr. 11, deformiert worden, und die Niete hat dabei das magnetisch leitende Material so deformiert, dass es Vorsprünge 12 bildet, die die Magneten 13 in den Hohlräumen befestigt. Die Nieten sind über die Kanäle 14 einstückig mit den Leitern ausgebildet.
3 zeigt eine detailliertere Ansicht eines Rotors mit einer Niete 15. Die Niete befindet sich zwischen zwei Magneten 16 und ist durch erste und zweite Brückenteile 17, 18, 19 von diesen Magneten getrennt. Der Rotockern ist als laminierte Struktur aus Platten eines magnetisch leitenden Materials gemacht. Der Hohlraum, in dem die Niete angebracht ist, ist durch gestanzte Löcher in einer Anzahl von benachbarten Schichten der Struktur und der erste Brückenteil 17 ist dabei Teil einer ersten Platte in der Struktur und der zweite Brückenteil ist Teil von nachfolgenden Schichten 18, 19 der Struktur. Die Schichten 19 bilden Kanäle zwischen den Leiterstäben 5 und die Niete um einstückiges Giessen der Niete mit dem Kurzschlussanker zu ermöglichen, und weitere Details werden in 5 gezeigt. Der Boden 20 des Hohlraumes, in dem die Niete angebracht ist, ist Teil einer Schicht, in der kein Loch gestanzt worden ist. Die Deformierung der Niete, angegeben durch die Hinweisnr. 21, hat den ersten Brückenteil so deformiert, dass er einen Vorsprung bildet, der die Magneten in den Hohlräumen des Kerns befestigen. Die Deformierung kann mit einem zentrischen Dorn gemacht werden. Die innere Oberfläche der Deformierung wird mit der Hinweisnummer 22 in 4 gezeigt. 4 ist eine Querschnittansicht von dem Teil des Rotors, der die Niete aufweist.
5 zeigt eine der Schichten 19 der laminierten Struktur des Rotorkerns. Die Schicht umfasst einen Kanal 23, der die Öffnung 24, die Teil des Hohlraums für die Niete ist, mit der Öffnung 25 verbindet, die Teil des Leiterschlitzes ist.
6 zeigt eine Querschnittansicht des montierten Rotorkerns, in dem die Niete während des Giessens des Kurzschlussankers aus einem weichen und elektrisch leitenden Material 26, z.B. Aluminium, gemacht wird. Das Material wird durch den Kanal 27 in den Hohlraum injiziert, der die Niete aufnimmt.
7 ist eine Ansicht von sieben Platten in der Ordnung, in der Sie im Rotorstapel erscheinen von A zu G. Die Platten A und G bilden somit sich axial gegenüberliegende Endflächen des Rotors, und in diesen Platten wird die Breite der Brücke zwischen dem Loch, das den ersten Hohlraum bildet und dem Loch, das den zweiten Hohlraum bildet, reduziert, um deren Deformierung während der Deformierung der Niete zu erleichtern, vgl. auch 3, die den ersten Brückenteil, Hinweisnr. 17, zeigt. Eine Anzahl von Platten entsprechend der Platten B und F sind den Endflächen benachbart angebracht. In diesen Platten wird die Breite der Brücke erhöht um die Dichtigkeit des zweiten Hohlraums zu verbessern, so dass verhindert wird, dass geschmolzenes Aluminium zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum fließt, vgl. 3, die den zweiten Brückenteil 18 zeigt. Platten entsprechend der Platten C und E umfassen ein Kanalloch, vgl. Hinweisnr. 23 in 5, das den Kanal zwischen dem Leiterschlitz 34 und dem zweiten Hohlraum 35 bildet. Schließlich sind Platten entsprechend der Platte D im zentralen Teil des Rotorkerns angebracht. Diese Platten umfassen lediglich Löcher, die das zentrale Loch für eine Antriebswelle, die Löcher für die Magneten und die Löcher für die Leiterschlitze bilden.

Claims

Ein Rotor (1) für einen elektrischen Motor, wobei der Rotor folgendes umfasst: – einen Kern (3) aus einem magnetisch leitenden Material, und – einen Magneten (6) angebracht in einem ersten Hohlraum des Kerns, wobei der erste Hohlraum eine erste Öffnung in einer axialen Endfläche (9) des Kerns umfasst und für das Einsetzen des Magneten in den ersten Hohlraum dimensioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet durch eine Deformierung der axialen Endfläche in dem ersten Hohlraum befestigt ist.
Ein Rotor nach Anspruch 1, in dem der Rotor weiter eine Niete aufweist, deren Material weich ist im Verhältnis zu dem magnetisch leitenden Material, und die in einem zweiten Hohlraum des Kerns angebracht ist, wobei die Niete eine Endfläche (8) aufweist, die in einer zweiten Öffnung der axialen Endfläche des Rotors sichtbar ist, und wobei der erste und der zweite Hohlraum von einer Brücke (10) aus dem magnetisch leitenden Material getrennt sind.
Ein Rotor nach Anspruch 2, in dem die Niete einstückig mit einem elektrisch leitenden Stab gebildet ist, der in einem Leiterschlitz des Kerns gebildet ist, wobei der Leiterstab (5) ein Teil des Kurzschlussankers (4, 5) des Rotors ist.
Ein Rotor nach Anspruch 3, in dem der Kern einen Kanal (14) zwischen dem Leiterschlitz und dem zweiten Hohlraum umfasst.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, in dem der Kern aus Platten eines Blechmaterials mit einer gewissen Dicke laminiert ist, wobei die Brücke die Hohlräume in der Größenordnung 0,1-5 Mal dieser Dicke trennt.
Ein Rotor nach Anspruch 5, in dem die Brücke einen ersten Brückenteil (17) aufweist, der Teil der Endfläche des Rotors ist, die aus einer ersten Platte (A, G) im Rotor gebildet ist, wobei die erste Platte die Endfläche des Rotors bildet, und einen zweiten Brückenteil (18, 19), gebildet durch andere Platten (B, F) im Rotor, wobei die Breite des zweiten Brückenteils größer ist als die Breite des ersten Brückenteils.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, in dem die Niete zwischen zwei benachbarten Magneten angebracht, so dass sie eine Flussbarriere bildet.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, in dem die Brücke in einer Schicht des Kerns eine weitgehend gleichartige Breite hat.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, in dem das elektrisch leitende Material weicher als das Material des Magneten und weicher als das magnetisch leitende Material ist.
Ein Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Einschnittkerb umfasst.
Ein Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, in dem die Niete in beiden axialen Endflächen vorgesehen ist.
Eine Methode zur Herstellung eines Rotors, wobei der Rotor folgendes umfasst: – einen Kern aus einem magnetisch leitenden Material, und – einen Magneten angebracht in einem ersten Hohlraum des Kerns, wobei der erste Hohlraum eine erste Öffnung in einer axialen Endfläche des Kerns umfasst und für das Einsetzen des Magneten in den ersten Hohlraum dimensioniert ist, – eine Niete aus einem Material, das weich ist im Verhältnis zu dem magnetisch leitenden Material, die in einem zweiten Hohlraum des Kerns angebracht ist, wobei die Niete eine Endfläche aufweist, die in einer zweiten Öffnung der axialen Endfläche des Rotors sichtbar ist, wobei der erste und der zweite Hohlraum durch eine Brücke aus einem magnetisch leitenden Material getrennt sind, und der Magnet durch eine Deformierung der Brücke in den ersten Hohlraum hinein festgehalten wird, und wobei die Methode dadurch gekennzeichnet ist, dass der Vorsprung durch eine Versetzung der Niete in die Brücke hinein gebildet ist.
Eine Methode nach Anspruch 12, in der die Niete durch einstückiges Giessen mit einem leitenden Stab eines Kurzschlussankers gebildet ist.