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Die
Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine,
wie einen Permanentmagnetmotor oder einen Schrittmotor, mit einem
Magnetträger
zum Aufnehmen von Permanentmagneten gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1. Eine solche Rotoranordnung ist in der
DE 197 05 432 A1 beschrieben.
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Auf
dem Markt ist eine Vielzahl von Elektromotoren bekannt, die abhängig von
ihrer elektromagnetischen Konzeption sowie nach anderen Kriterien klassifiziert
werden können,
z.B. gemäß ihrer
Struktur, dem Antriebsmechanismus, dem Steuermechanismus etc. Ein
bevorzug tes Anwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose
Gleichstrommotoren und Schrittmotoren sowie andere Permanentmagnetmotoren,
bei denen ein oder mehrere Permanentmagnete auf den Außenumfang
des Rotorkörpers
aufgebracht oder in diesen eingebettet sind. Die Magnete können einteilig
als Ring oder mehrteilig aus Segmenten aufgebaut sein. Häufig sind
die Magnete auf einen Magnetträger
aufgebracht, der je nach Auslegung des Magnetkreises magnetisch
leitend oder nicht leitend ist.
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Allgemeiner
betrifft die Erfindung das Gebiet elektrischer Maschinen, die als
Innenläufer
konfiguriert sind. Innenläufermotoren
umfassen eine Rotoranordnung, welche auf einer Welle montiert ist,
sowie eine Statoranordnung mit einem Statorkörper, der zum Beispiel aus
genuteten Metallblechen aufgebaut ist, welche Wicklungen tragen.
Die Rotoranordnung ist in die Statoranordnung koaxial eingefügt.
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Im
Stand der Technik ist es üblich,
den Magnetträger
der Rotoranordnung aus einem weichmagnetischen Material herzustellen,
so daß er
eine Rückschlußfunktion übernimmt.
Die Permanentmagnete werden auf den Außenumfang des Magnetträgers aufgeklebt
oder in dafür
vorgesehene Taschen eingefügt
und in den Taschen durch Klebung oder andere Mittel fixiert. Klebverbindungen
sind weit verbreitet, weil sie leicht realisierbar sind und eine
zufriedenstellende Verbindung zwischen Magnet und Magnetträger gewährleisten.
Gleichwohl bergen sie das Risiko, daß sich die Magnete von dem
Magnetträger
lösen, weil
während
des Betriebs des Motors beispielsweise unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten des Magnetträgers, des Klebstoffes und der
Magnete selbst wirksam werden. Wenn die Klebverbindungen durch Magnetkräfte und
Fliehkräfte
belastet werden, können
sie diesen insbesondere bei starken Temperaturschwankungen nicht
immer standhalten. Die Qualität
der Klebverbindungen ist somit den Prozeßparametern beim Betrieb des
Elektromotors sowie auch Alterungseffekten unterworfen. Naturgemäß ist die
Verbindung eines Ringmagneten mit dem Magnetträger grundsätzlich stabiler als eine Verbindung
einzelner Segmente mit dem Magnetträger. Andererseits ist die Herstellung
eines Ringmagneten aufwendiger als die Herstellung einer Anzahl einzelner,
insbesondere kubischer Permanentmagnete, die auf die Oberfläche des
Rotorträgers
aufgebracht oder in diesen eingebettet werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
eine Rotoranordnung für
eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Innenläufer-Motor
anzugeben, die einfach und kostengünstig ist, wobei gleichwohl
die Verbindung zwischen den Permanentmagneten und dem Magnetträger zuverlässiger sein
soll als die bekannten Klebverbindungen des Standes der Technik.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Rotoranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung sieht eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine
vor, mit einem Magnetträger
zum Aufnehmen von Permanentmagneten, der als ein Spritzgußbauteil,
vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt ist. Der Magnetträger hat
eine zylindrische Form, und in dem Magnetträger sind Taschen ausgebildet,
die zum Außenumfang
des Magnetträgers
hin offen und am Innenumfang des Magnetträgers geschlossen sind. In diese
Taschen sind quaderförmige Permanentmagnete
eingesetzt. Vorzugsweise ist der Magnetträger direkt auf ein Kugellager
aufgespritzt.
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Zur
Fixierung der Permanentmagnete in den Taschen in radialer Richtung
wird erfindungsgemäß ein Sicherungsring
um den Magnetträger
und die Permanentmagnete gelegt. Dieser Sicherungsring kann an den
Magnetträger
angespritzt sein, wobei dann die Permanentmagnete in axialer Richtung
in den Magnetträger
eingefügt
werden. Der Sicherungsring kann abhängig von dem Aufbau der elektrischen
Maschine mittig oder an den Stirnenden des Magnetträgers angeordnet
sein.
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Die
Erfindung schafft eine Rotoranordnung, die besonders einfach, platzsparend
und kostengünstig
aufgebaut werden kann und in der die Permanentmagnete gleichwohl
sicher fixiert sind. Der Magnetträger ist ein einfaches Spritzgußbauteil,
vorzugsweise aus Kunststoff. In einer bevorzugten Ausführung wird
der Magnetträger
auf einen Außenring eines
Kugellagers oder anderen Wälzlagers
aufgespritzt, so daß dieser
Lagerring die Funktion eines Rückschlusses übernehmen
kann. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
Eisenpartikel in den Kunststoff zu integrieren, um den Rückschluß der Magnete
zu unterstützen,
wobei dies aus Kosten- und Fertigungsgründen nicht bevorzugt ist. Für bestimmte
Motortypen, wie Schrittmotoren, kann auf einen Rückschluß auch vollständig verzichtet
werden, wenn es ausreichend ist, daß der magnetische Rückschluß über nicht
magnetische Medien, beispielsweise die Luft, erfolgt.
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Das
unmittelbare Aufspritzen des Magnetträgers auf ein Kugellager hat
neben der Rückschlußfunktion
des Lagerrings den weiteren Vorteil, daß es einen besonders kompakten
Aufbau der elektrischen Maschine erlaubt.
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Der
Magnetträger
ist in axialer Richtung vorzugsweise geringfügig länger als die eingefügten Permanentmagnete,
so daß die
Permanentmagnete an den Stirnenden des Magnetträgers in axialer Richtung durch
Materialverformung oder zusätzliche
Befestigungsmittel, wie Rasthaken oder Abdeckscheiben, fixiert werden
können.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind die Permanentmagnete in den Taschen so angeordnet,
daß sie
in radialer Richtung über
den Umfang des Magnetträgers
vorstehen. Dadurch wird es möglich,
eine elektrische Maschine mit einem geringen Luftspalt zu realisieren,
weil in dem Arbeitsluftspalt zwischen Rotor und Stator keine Kunststoffstege
zu liegen kommen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung der
Erfindung sind die Permanentmagnete in tangentialer Richtung magnetisiert.
Die Erfindung erlaubt die Verwendung billiger, gesinterter, vormagnetisierter
Permanentmagnete, welche in die Taschen einfach eingelegt werden.
Diese tangential magnetisierten Einzelmagnete eignen sich besonders
gut bei Rotoranordnungen ohne magnetischen Rückschluß, weil die magnetischen Feldlinien
direkt, im wesentlichen radial, aus dem Rotor austreten und innen
nicht über
einen Rückschluß geschlossen
werden müssen.
Aufgrund der Verwendung gesinterter, vormagnetisierter Magnete ist
es möglich,
zur Erreichung vergleichsweise großer Feldstärken kleine Magnete zu verwenden.
Dadurch reduziert sich der Platzbedarf sowie das Gewicht und somit
die Träg heit
der Rotoranordnung, im Vergleich zu beispielsweise Ringmagneten
oder isotropen eingebetteten Magneten, welche durch eine externe
Magnetisierungseinrichtung magnetisiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Rotoranordnung in einem Klauenpolmotor eingesetzt,
der ferner einen Stator mit Polblechen und Statorspulen aufweist.
Die Statorspulen sind axial an den beiden Stirnenden der Rotoranordnung
angeordnet, und die Polbleche umgreifen die Rotoranordnung ausgehend
von ihren gegenüberliegenden
Stirnenden, wobei die axiale Länge
der Statorbleche im Verhältnis
zur axialen Länge
der Rotoranordnung so gewählt
ist, daß ein
Spalt zwischen den gegenüberliegenden
Polblechen entsteht. Der Sicherungsring zur radialen Fixierung der
Permanentmagnete in dem Magnetträger
kann so angeordnet und dimensioniert werden, daß er gerade in diesem Spalt zu
liegen kommt.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivdarstellung einer Rotoranordnung gemäß einer
ersten Ausführung
der Erfindung;
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2 eine
schematische Perspektivdarstellung einer Rotoranordnung gemäß einer
zweiten Ausführung
der Erfindung;
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3 eine
Schnittdarstellung durch die Rotoranordnung der 1 und 2 in
der Ebene des Sicherungsrings;
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4 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Klauenpolmotor, der
die erfindungsgemäße Rotoranordnung
enthält;
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5 eine
schematische Schnittdarstellung durch die Rotoranordnung des in 4 gezeigten Klauenpolmotors
in vergrößertem Maßstab;
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6 eine
schematische Perspektivdarstellung der Rotoranordnung gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung;
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7 eine
schematische Schnittdarstellung durch die Rotoranordnung der 6;
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8 eine
schematische Perspektivdarstellung einer Rotoranordnung gemäß noch einer
weiteren Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Perspektivdarstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
Die Rotoranordnung umfaßt
einen Magnetträger 10,
der als ein Spritzgußbauteil
aus Kunststoff unmittelbar auf ein Kugellager 12 aufgespritzt
ist. Der Magnetträger 10 hat
eine zylindrische Form, wobei in dem Magnetträger Taschen 14 ausgebildet
sind, die zum Außenumfang
des Magnetträgers
hin offen und am Innenumfang des Magnetträgers geschlossen sind. In den
Taschen 14 sind Permanentmagnete 16 aufgenommen. Die
Permanentmagnete 16 sind in radialer Richtung durch einen
Sicherungsring 18 fixiert, so daß sie sicher in den Taschen 14 gehalten
werden. In der bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist der Sicherungsring 18 unmittelbar an
den Magnetträger 10 angespritzt
und wird mit diesem in einem Spritzvorgang hergestellt. Die Permanentmagnete 16 können in
axialer Richtung in die Taschen 14 und durch entsprechende
Ausnehmungen 20 in dem Sicherungsring hindurch eingeschoben
werden.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
der Rotoranordnung ist besonders kompakt und einfach herzustellen,
weil lediglich ein relativ einfaches Spritzgußbauteil mit integriertem Sicherungsring
vorgesehen werden muß,
in welches die Permanentmagnete eingeschoben werden können. Das
Aufspritzen auf das Kugellager 12 hat den Vorteil, daß der Magnetträger selbst
keine magnetische Rückschlußfunktion
haben muß,
weil diese durch das Kugellager übernommen wird.
Darüberhinaus
ergibt sich hierdurch eine besonders platzsparende Anordnung.
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2 zeigt
eine alternative Ausführung
der Rotoranordnung gemäß der Erfindung,
wobei entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet
sind. Die Ausführung
der 2 unterscheidet sich von der 1 dadurch,
daß der
Magnetträger
nicht auf ein Kugellager aufgespritzt, sondern mit einer Welle 22 verbunden
ist. Hierzu kann der Außendurchmesser
der Welle 22 an den Innendurchmesser des Magnetträgers 10 angepaßt sein oder
ein geeignetes Zwischenstück
verwendet werden, um den Magnetträger 10 und die Welle 22 zu verbinden.
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In 2 ist
gezeigt, daß die
Permanentmagnete 10 in den Taschen 14 durch Materialverformung an
den Magnetträger 10 in
axialer Richtung gesichert sind. Hierzu wird jeweils an den innen
liegenden Kanten der Taschen 14, am Stirnende des Magnetträgers 10 mittels
eines Stempels Material verdrängt,
um axiale Sicherungen 24 der Permanentmagnete 16 zu
bilden. Diese Art der axialen Fixierung der Permanentmagnete 16 kann
auch bei der in 1 gezeigten Ausführung der
Erfindung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt,
daß auch
die im folgenden beschriebenen unterschiedlichen Merkmale der Rotoranordnung
nicht nur jeweils auf eine konkrete Ausführung begrenzt sind, sondern
jeweils mit verschiedenen anderen Ausführungen kombiniert werden können.
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch die Rotoranordnung der 1 und 2 in
einer Ebene, die durch den Sicherungsring 18 geht. Korrespondierende
Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 gekennzeichnet.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden die Permanentmagnete 16 durch einfache
quaderförmige
oder stabförmige
Magnete gebildet, die in tangentialer Richtung magnetisiert sind, wie
in 3 gezeigt. Hierzu werden vorzugsweise gesinterte,
vormagnetisierte, anisotrope Magnetblöcke verwendet. Die Herstellung
solcher Permanentmagnete ist relativ kostengünstig, wobei gleichwohl hohe
Feldstärken
erzielt werden können,
die im Luftspalt 0,8T bis 0,9T erreichen. Die Magnete selbst können bis
etwa 1,2 T Remanenz erreichen. Die Erfindung ist jedoch auf diese
gezeigte Ausführung nicht
beschränkt,
und die Magnete könnten
beispielsweise auch aus isotropem Material hergestellt und nach
Bedarf magnetisiert wer den. Beispielsweise ist es denkbar, zur Optimierung
des Rastmomentes der elektrischen Maschine die Magnete mit einer
zur Motorachse leicht geneigten Ausrichtung oder Magnetisierung
zu versehen. Die gezeigte Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß ein besonders
kompakter und kostengünstiger
Rotor aufgebaut wird, der keinen Rückschluß benötigt. Die Verwendung gesinterter Magnete
mit hoher Feldstärke
hat ferner den Vorteil, daß relativ
kleine Magnetblöcke
mit geringem Gewicht zu Erzielung einer bestimmten Feldstärke gewählt werden
können,
wodurch die Trägheit
und das Gewicht der Rotoranordnung gering gehalten werden.
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch einen Klauenpolmotor,
in dem die erfindungsgemäße Rotoranordnung
eingesetzt wird. Der gezeigte Motor ist ein Linear-Stellmotor, wobei die
Erfindung auf diese Anwendung nicht beschränkt ist.
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Bei
einem Linear-Stellmotor wird die Rotationsbewegung der Rotoranordnung über eine
Gewindemutter oder -hülse,
die mit dem Rotor dreht, in eine Linearbewegung umgesetzt. Hierzu
ist der Rotor über
ein Kugellager gelagert und die Rotornabe ist als Hülse mit
Innengewinde ausgeführt.
Das Außengewinde
einer Stellstange greift in das Innengewinde der Rotornabe ein.
Die Stellstange ist gegen Verdrehen gesichert und kann somit je
nach Drehrichtung des Rotors in der einen oder anderen Richtung
verschoben werden.
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Der
in 4 gezeigte Linear-Stellmotor umfaßt einen
Rotor mit einem Permanentmagneten 16 sowie einen Stator
mit Polblechen 26, welche als Polklauen ausgebildet sind,
und Statorspulen 28. Die Statorspulen 28 sind
in eine Spulenisolation 30 eingebettet und mit Spulenanschlüssen 32 verbunden. Ein
erster und ein zweiter Flansch 34, 36 bilden feststehende
Teile eines Gehäuses
und sind mit dem Stator verbunden. Zur Lagerung der Rotoranordnung sind
zwei Kugellager 38 vorgesehen, deren Außenringe mit dem Rotormagneten 16 über den
Magnetträger
(10; siehe die Detaildarstellung der 5)
verbunden sind und deren Innenringe in dem Flansch 34 bzw. 36 abgestützt sind.
Zwischen den beiden Kugellagern 38 ist eine Gewindemutter 40 in
Form einer Blechscheibe angeordnet. Die Gewindemutter ist zwischen
den Außenringen
der Kugellager 38 gehalten und somit mit dem Rotor drehfest
verbunden. Eine Stellstange 42, oder Gewindespindel, mit
einem Außengewinde 44 ist
mit der Gewindemutter 40 in Eingriff, so daß eine Drehbewegung
der Gewindemutter 40 in eine Translationsbewegung der Stellstange 42 übersetzt
wird. Als Verdrehsicherung ist in dem Flansch 36 eine Führungsnut
ausgebildet, in der ein Führungsstift 46 der
Stellstange 42 geführt
ist.
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Weitere
Einzelheiten dieses Motors sind in der nicht vorreröffentlichten
DE 10 2005 055 868
A1 , beschrieben.
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Wie
in 4 dargestellt, sind die Statorspulen 28 axial
neben den Permanentmagneten 16 des Rotors angeordnet. Die
Polbleche 26 ergreifen die Permanentmagnete 16 und
erstrecken sich in axialer Richtung entlang des Umfangs des Rotors.
Die Polbleche 26 sind dabei jedoch so dimensioniert und
angeordnet, daß zwischen
den einander gegenüberliegenden
Polblechen ein Spalt 48 frei bleibt, in dem der Sicherungsring 18 zu
liegen kommt. Dies ermöglicht einen
besonders kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Klauenpolmotors. Die Kompaktheit
des Motors wird weiter dadurch gefördert, daß die Statorspulen 28 axial
neben den Permanentmagneten 16 angeordnet sind, so daß der Motordurchmesser
im Vergleich zu bekannten Motoren verringert werden kann. Hierzu
trägt auch
bei, daß die
Kugellager 28 radial innerhalb der Permanentmagnete 16 liegen
und die Permanentmagnete 16 über den Magnetträger unmittelbar
auf die Kugellager aufgespritzt sind. Durch die Verwendung einer
Blechscheibe als Gewindemuttor 40 kann die axiale Baulänge des
Motors trotz der Anordnung der Statorspulen 28 neben dem Permanentmagneten 16 kurz
gehalten werden. Gleichwohl ist die axiale Länge des Motors ausreichend,
um die Stellstange 42 in dem Flansch 36 abzustützen und
ein Verkippen der Stellstange 42 zu verhindern.
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Die
Polbleche 26 sind mit den Spulen 28 gekoppelt
und umgreifen die Permanentmagnete 16, um eine wirksame
Magnetflußübertragung
von den Statorspulen 28 auf die Permanentmagnete 16 zu bewirken.
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung,
die in dem Klauenpolmotor der 4 verwendet
wird, in vergrößertem Maßstab mit
weiteren Einzelheiten. Korrespondierende Bauteile sind mit denselben
Bezugszeichen ge kennzeichnet. In 5 ist zu
erkennen, daß die
Permanentmagnete 16 in dem Magnethalter 10 aufgenommen
sind, der unmittelbar auf den Außenring der Kugellager 38 aufgespritzt
ist. Zwischen die beiden Kugellager 38 ist die Gewindemutter 40 eingefügt, welche
mittels einer Abstands- und Dichtungsscheibe 50 positioniert
und fixiert ist. Die Permanentmagnete 16 sind durch den
Magnetträger 10 und
den Sicherungsring 18 sowie in axialer Richtung durch nasenartige
Vorsprünge
an dem Magnethalter 10 fixiert, welche beispielsweise wie
in 2 gezeigt, durch Materialverformung hergestellt werden
können.
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Wie
erläutert,
besteht der Magnerhalter in der bevorzugten Ausführung aus Kunststoff, wobei die
Außenringe
der Kugellager 38 als Rückschluß dienen
können.
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6 zeigt
eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführung der
erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
Korrespondierende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet
wie in den 1 und 2. In der
Ausführung
der 6 ist der Magnetträger wiederum auf ein Kugellager 12 aufgespritzt.
Die Permanentmagnete 16 werden in radialer Richtung durch
den Sicherungsring 18 fixiert. Die Ausführung der 6 unterscheidet
sich von den 1 und 2 durch
die Art der axialen Fixierung der Permanentmagnete 16 in dem
Magnetträger.
Hierzu wird gemäß 6 eine Abdeckscheibe 52 verwendet,
die mit dem Magnetträger 10 mittels
Kunststoffnocken 54 verbunden wird. Die Kunststoffnocken 54 können unmittelbar
an den Magnetträger 10 angeformt
sein und durch korrespondierende Ausnehmungen in der Abdeckscheibe 52 greifen.
Sie können
nach Art von Rasthaken ausgebildet sein, welche aufgrund ihrer Elastizität durch
die Ausnehmungen in der Abdeckscheibe 52 gedrückt werden
können,
wobei sie anschließend einschnappen
und verhindern, daß die
Abdeckscheibe wieder entfernt werden kann.
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7 zeigt
eine Schnittdarstellung durch die Ausführung der Rotoranordnung der 6.
Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen erläutert. In
der Ausführung
der 7 liegen die Permanentmagnete 16 direkt
auf dem Außenring
des Kugellagers 38 auf. Die Permanentmagnete 16 sind in
einen Magnetträger
eingebettet, der diese quasi wie ein Rahmen umgibt, in radialer
Richtung jedoch nach innen und außen offen ist. In der Schnittdarstellung der 7 sind
nur die axialen Abdeckscheiben 52 und die Kunststoffnocken 54 dargestellt,
welche mit dem Magnetträger
verbunden sind. Ferner ist der Sicherungsring 18 dargestellt,
der mit dem Magnetträger
einteilig ausgebildet ist. Die jeweils zwischen den einzelnen Permanentmagneten 16 liegenden Teile
des Magnetträgers
(in 7 nicht gezeigt) können zusätzlich beispielsweise über Stege
an den Stirnenden der Rotoranordnung miteinander verbunden sein.
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8 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung in perspektivischer
Darstellung. Korrespondierende Teile wie in den vorherigen Ausführungen
sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Auch in der Ausführung der 8 ist
ein Magnetträger 10 auf
ein oder zwei aneinander angrenzende Kugellager 38 aufgespritzt
und hält
die Permanentmagnete 16, die in radialer Richtung durch
den Sicherungsring 18 fixiert werden. In der Ausführung der 8 werden
die Permanentmagnete 16 in axialer Richtung durch Rasthaken 56 gesichert,
die aufgrund der Elastizität
des Kunststoffes ein Einschieben der Permanentmagnete 16 in
axialer Richtung bis zu einem Anschlag 58 erlauben, dann
jedoch einschnappen und verhindern, daß die Permanentmagnete 16 in
axialer Richtung aus den Magnetträger 10 herausrutschen
oder leicht entfernt werden können.
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Wie
oben bereits erwähnt,
können
verschiedene Elemente der verschiedenen Ausführungen kombiniert werden,
wobei sich diese Elemente beispielsweise auf die Art der Lagerung
des Magnetträgers
sowie auf die radiale und axiale Fixierung der Permanentmagnete,
und auf das Vorsehen einer Rückschlußfunktion
in bezug auf die Permanentmagnete beziehen können.