DE102006049866A1

DE102006049866A1 - Elektrische Maschine mit einem auf einem Rotor fixierten Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102006049866A1
Application number: DE102006049866A
Authority: DE
Inventors: Hubertus BÄHR; Rainer Eckert; Manfred Gmeiner; Sebastian Räder; Oliver Warmuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008049718A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (11) mit einem Stator (9) mit einem Wicklungssystem (8), das in Nuten angeordnet ist, und einem Rotor (1), an dessen Oberfläche Permanentmagnete (5) angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete (5) durch mindestens zwei unterschiedliche Befestigungsmittel an der Oberfläche des Rotors (1) fixiert und positioniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator mit einem Wicklungssystem, das in Nuten angeordnet ist und einem Rotor, an dessen Oberfläche Permanentmagnete angeordnet sind.
Permanenterregte elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen weisen Rotoren auf, die mit Permanentmagneten versehen sind. Insbesondere bei Rotoren an deren Oberfläche Permanentmagnete angeordnet sind, werden hohe Ansprüche an die Befestigungsmittel gestellt. Dabei sind bei Klebeverbindungen insbesondere die Parameter zu beachten, wie thermische Beständigkeit gegenüber Schockbelastung, Dehnungsausgleich etc. Bei Bandagen spielt insbesondere die Fliehkraftbeanspruchung eine außerordentliche Rolle.
Vor allem bei hochdynamisch beanspruchten elektrischen Maschinen, beispielsweise bei Reversierbetrieb werden an derartige Befestigungsmittel außerordentlich hohe Ansprüche gestellt.
Des Weiteren ist bei der Montage derartiger Rotoren eine Lagefixierung der Permanentmagnete unerlässlich, um im Betrieb die vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich Rastmomente zu erfüllen, die sich nur durch eine exakte Lage der Permanentmagnete auf dem Rotor erfüllen lassen.
Derartige Befestigungsmittel sind bereits bei der Montage relativ schwierig zu handhaben, da geringste Verschiebungen während der Montage, d.h. während der Aushärtezeit des Klebers, die an ihn gestellten Anforderungen nicht erfüllt werden können. Des Weiteren ist bei geringer Überlast der Motorspezifikation, d.h. im Grenzbereich einer Klebeverbindung die Betriebssicherheit dieser elektrischen Maschine nicht mehr gewährleistet.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Befestigungsmittel bei einer elektrischen Maschine mit Permanenten vorzusehen, wobei insbesondere bei Oberflächenmagneten eine exakte Positionierung und eine Gewährleistung der Fixierung der Permanentmagnete auch bei Überlast der elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Stator mit einem Wicklungssystem, das in Nuten angeordnet ist und einem Rotor, an dessen Oberfläche Permanentmagnete angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete durch mindestens zwei unterschiedliche Befestigungsmittel an der Oberfläche des Rotors fixiert sind.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine mit folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Rotors,
– Bekleben des Rotors mit doppelseitigem Klebeband an vorgebbaren axialen Abschnitten des Rotors,
– Positionieren der Permanentmagnete auf dem Klebeband.

Durch eine Kombination von mehreren Befestigungsmitteln ist insbesondere die Montage erleichtert, da eine gegenseitige Absicherung der einzelnen Befestigungsmitteln bezüglich der ortsfesten Positionierung der Permanentmagnete vorliegt. Des Weiteren kann auch bei Überlast des Motors die Funktionssicherheit der elektrischen Maschine damit gewährleistet werden. Es treten damit wesentlich höhere Haftkräfte des Permanentmagnets an der Oberfläche des Rotors auf. Vorteilhafterweise werden dabei insbesondere die Befestigungsmittel wie Klebeband, Epoxidharzklebstoff und die Bandage verwendet.
Insbesondere durch Verwendung des Klebebandes vorteilhafterweise eines doppelseitigen Klebebandes wird nach Bereitstel len des Blechpaket des Rotors, der aber auch aus gesintertem Werkstoff oder aus Vollmaterial bestehen kann, ebenso wie eine Hohlwelle darstellen kann, die Oberfläche mit einer Seite des Klebebandes versehen.
Das doppelseitige Klebeband weist vor der Montage auf seinen beiden Seiten Abdeckungen auf, die unmittelbar vor Verwendung der jeweiligen Seite abgenommen werden. Damit wird eine Austrocknung der jeweiligen Seite und unwillkürliches Kleben an anderen Gegenständen vermieden.
Ausschlaggebend für die Orte des Auftragens des Klebebandes sind insbesondere die axialen Ausdehnungen von Magnetblättchen und Magnetschalen, so dass zumindest eine Seite eines Magnets sich auf einem Klebeband befindet. Durch die nunmehr exakte Positionierung der Magnetblättchen oder Magnetschalen auf der Oberfläche des Rotors mit Hilfe des Klebebandes, das vor Montage der Permanentmagnete selbstverständlich von der Abdeckung des zweiten Klebebandes befreit wird.
Die Klebebänder sind vorteilhafterweise als Klebestreifen ausgeführt, deren Länge in etwa dem Umfang des Rotors, auf den die Klebestreifen positioniert werden entspricht.
Bei einer Längsanordnung der Klebestreifen auf dem Rotor sind diese dementsprechend nach der axialen Länge des aktiven Teils des Rotors auszuführen. Wobei unter aktivem Teil des Rotors der Teil zu verstehen ist, der mit dem Stator in elektromagnetische Wechselwirkung treten soll.
Natürlich sind die Klebestreifen in Kombination der oben genannten Anordnungen auf dem Rotor je nach Ausführungsform der Permanentmagnete auch nur punktuell anzuordnen. Unter punktuell, ist dabei eine Fläche auf dem Rotor zu verstehen, die als Auflagefläche für die Permanentmagnete ausreicht, um diese ausreichend zu positionieren.
Idealerweise hält eine Positionierung der Permanentmagnete lediglich auf den Klebestreifen die bereits für den Betrieb erforderlichen Fliehkräfte aus. Um aber auch für Überlast der elektrischen Maschine, also z.B. Drehzahlen über der Nenndrehzahl ausreichende Befestigungsmöglichkeiten vorzusehen, wird nunmehr bevor die Permanentmagnete aufgesetzt werden, zwischen die von den Klebeband nicht belegten Flächen des Rotors Flüssigklebstoff aufgetragen, auf die nunmehr die Magnetblättchen oder Schalenmagnete aufgesetzt werden.
D.h. die Fixierung und Positionierung der Magnetblättchen und Schalenmagneten erfolgt in erster Linie durch das Klebeband, da der Flüssigklebstoff um seine endgültige Haftkraft zu entfalten zuerst ausgehärtet werden muss. Somit entfaltet der Klebstoff des Klebebandes zu Beginn der Montage der Permanentmagnete auf dem Rotor zuerst seine Haftkraft, die aber dann, je länger der Aushärteprozess andauert, immer mehr von dem ausgehärteten Flüssigklebstoff übernommen wird, bzw. übernommen werden kann.
Um aber eine ordentliche und ausreichende Schichtdicke aufzubringen, ist die Dicke des Klebebandes nunmehr ausschlaggebend für die Dicke des Flüssigklebers zwischen Magnetblättchen und Rotoroberfläche. D.h. durch Vorgabe eines bestimmten Klebebandes mit bestimmter Dicke, wird die Dicke des Flüssigklebers vorbestimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Gesamtanordnung nun durch eine Bandage zusätzlich verstärkt werden.
Durch die ausreichende Fixierung der Permanentmagnete durch das Klebeband können vorab exakte Positionierungen der Permanentmagnete, als auch Staffelungen der Permanentmagnete über ihre axiale Länge des Rotors exakt eingestellt werden. Durch die Erhöhung der Positionsgenauigkeit der Permanentmagnete bezogen auf die Staffel oder Polwinkel ist nunmehr ein direk ter positiver Einfluss der Stromwelligkeit auf die elektrische Maschine festzustellen.
Aufgrund der im Betrieb der elektrischen Maschine auch in den Permanentmagneten auftretenden Wirbelströme erwärmen sich diese. Um nun trotz der unterschiedlichen Befestigungsmitteln der Permanentmagnete am Rotor eine ausreichende Wärmeabfuhr aus den Permanentmagneten zu erhalten, sind die Befestigungsmitteln mit vergleichsweise gut wärmeleitende Komponenten versehen.
Dem Flüssigklebstoff sind insbesondere Metallpartikel einer oder mehrere Metallsorten beigemischt, ohne die Fixierung des Flüssigklebstoffs zu beeinträchtigen.
Das Klebeband und/oder die Bandage sind mit einer derartigen Komponente, insbesondere mit einem Metall bedampft. Diese Bedampfung kann dabei bei der Herstellung dieser Befestigungsmittel oder unmittelbar vor der Montage erfolgen.
Damit werden die Permanentmagnete besser entwärmt, so dass eine Abmagnetisierung der Permanentmagnete vermieden wird. Damit steigen das Drehmoment und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
Die Wärmeabfuhr erfolgt somit über die Bandage an den Luftspalt oder über das Klebeband und/oder den Flüssigklebstoff auf das Rotorblechpaket und letztlich die Welle der elektrischen Maschine.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
1, 3, 4 prinzipielle Darstellungen des Rotors,
2 fertiger Rotor.
1 zeigt einen Rotor 1, der aus zeichnerischen Gründen als Vollmaterial dargestellt wurde mit einer Welle 2. Der Rotor 1 selbst kann selbstverständlich als Hohlwelle oder geblecht oder aus gesintertem Material aufgebaut sein. Auf der axialen Länge des Rotors 1 befinden sich in Umfangsrichtung angeordnete Klebebänder 3, die in einem vorgebbaren Abstand 10 zueinander angeordnet sind.
Vorteilhafterweise wird danach in den Räumen zwischen den Klebebändern 3 Raupen 4 aus Flüssigklebstoff zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung des Rotors 1 aufgetragen. Danach werden Permanentmagnete 5 auf dem Rotor 1 positioniert wobei das Klebeband auch eine äußerst effiziente Montagehilfe ist, da das Klebeband 3 seine Haftkraft sofort entwickelt, während der Flüssigklebstoff diese Eigenschaft erst nach seinem Aushärten bereitstellt. Des Weiteren wird durch Positionieren der Permanentmagnete 5 auf dem Klebeband 3 die Raupe 4 des Flüssigklebstoffs unter dem Permanentmagneten 5 verteilt und überschüssiges Material des Flüssigklebstoffs an den Seiten ausgedrückt. Somit ergibt sich aus der Dicke des Klebebandes 3 eine exakte Vorgabe zur Dicke des Flüssigklebers.
3 zeigt eine Darstellung, in der die einzelnen Streifen des Klebebandes 3 in axialer Richtung des Rotors angeordnet sind. Damit verlaufen die Raupen 4 des Flüssigklebstoffs ebenfalls in axialer Richtung, vorbei diese Raupen 4 dabei auch leicht geschwungen aufgebracht werden können, um eine bessere Verteilung zu erhalten. Der Abstand der einzelnen Streifen bemisst sich durch die Breite der Permanentmagnete 5.
Bei zusätzlicher Fixierung der Permanentmagnete auf dem Rotor sind bezogen auf die Breite der Permanentmagnete 5 weitere Streifen vorzusehen.
Mit diesen zusätzlichen Streifen lässt sich auch eine Staffelung von Permanentmagneten über die axiale Länge des Rotors herstellen.
4 zeigt punktuell angeordnete Klebebänder 3, die ebenfalls der Fixierung der Permanentmagnete 5 auf dem Rotor dienen.
Selbstverständlich sind auch Mischformen von axialer Anordnung, Anordnung in Umfangsrichtung und punktueller Anordnung der Klebebänder 3 auf dem Rotor je nach Anwendungsfall möglich.
Ebenso lassen sich die Klebebänder 3 schraubenförmig um den Rotor wickeln, wobei dabei eine „Ganghöhe" dieser Umbandelung (wie bei den Schrauben) vorzugeben ist.
Die Raupen 4 des Flüssigklebstoffs sind, sofern notwendig bei den oben genannten Anordnungen in den jeweiligen "Freiräumen" des Rotors vorgesehen.
2 zeigt nunmehr einen fertigen Rotor 1, mit ausgehärtetem Klebstoff. Prinzipiell ist dabei auch die elektrische Maschine 11 mit einem in einem Stator 9 angeordneten Wicklungssystem 8 dargestellt. Die Permanentmagnete 5 weisen über ihre axiale Länge des Rotors 1 einen Winkelversatz auf, um die Rastmomente im Betrieb der elektrischen Maschine 11 zu unterdrücken.
Die Fertigungsschritte zur Herstellung eines Permanentmagneten 5 aufweisenden Rotors 1, insbesondere nach 1 sind also folgende:
Am Anfang des ersten Permanentmagneten 5 wird ein Klebeband 3 in Umfangsrichtung am Rotor 1, insbesondere direkt auf das Blechpaket aufgebracht. Somit wird zuerst die eine Seite des doppelseitigen Klebebandes 3 auf der Oberfläche des Rotors 1 befestigt. Vor Montage der Permanentmagnete 5 wird die Schutzschicht auf dem Klebeband 3 entfernt, um somit die Klebewirkung für die Permanentmagnete 5 zu erhalten. Am Ende des ersten und gleichzeitig Anfang des zweiten Permanentmagneten 5 wird ebenfalls ein Klebeband 3 aufgebracht. Diese Vorgänge wiederholen sich je nach Anzahl der Permanentmagnete bzw. der Anzahl der Reihen. Am Ende des letzten Permanentmagneten 5 wird wie am Anfang des ersten Magneten ein Klebeband 3 aufgebracht.
Jeder Permanentmagnet 5 hat so am Anfang und am Ende zumindest jeweils die halbe Breite des Klebebandstreifens 3 als wirksame Klebefläche um den Permanentmagneten 5 somit die sofortige und notwendige Haftung beim Fügen bereitzustellen. Dies ist notwendig, um die Lageorientierung der Permanentmagnete 5 zumindest bis zur Aushärtung des Flüssigklebers insbesondere eines Epoxidharzklebstoffs zu gewährleisten. Die zwischen den Klebebandstreifen 3 jeweils befindliche Raupe 4 aus Flüssigklebstoff wird durch Positionierung der Permanentmagnete 5 breit gedrückt und es stellt sich aufgrund der Auflagefläche eines Permanentmagnets 5 an seinem Anfang und seinem Ende eine definierte Dicke des Flüssigklebers zwischen Oberfläche des Rotors 1 und Unterseite des Permanentmagneten 5 ein.
Die Fertigungsschritte lassen sich in einfacher Art und Weise auf die Ausführungsformen der 3, 4 übertragen.
Aufgrund der im Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere eines Servoantriebs auch in den Permanentmagneten auftretenden Wirbelströme erwärmen sich diese. Um nun trotz der unterschiedlichen Befestigungsmitteln der Permanentmagnete 5 am Rotor 1, also Klebeband 3 und/oder Flüssigklebstoff und/oder Bandage eine ausreichende Wärmeabfuhr aus den Permanentmagneten 5 zu erhalten, sind die oben genannten Befestigungsmitteln mit vergleichsweise gut wärmeleitende Komponenten versehen.
Dem Flüssigklebstoff sind insbesondere Metallpartikel einer oder mehrere Metallsorten beigemischt, ohne die Fixierungseigenschaften des Flüssigklebstoffs zu beeinträchtigen.
Das Klebeband 3 und/oder die Bandage sind mit einer derartigen Komponente, insbesondere mit einem Metall oder Metalllegierung bedampft. Diese Bedampfung, die sich im Mikrometerbereich einstellt, kann dabei bei der Herstellung dieser Befestigungsmittel oder unmittelbar vor der Montage erfolgen.
Dabei darf die Bedampfung die Klebewirkung des Klebebandes 3 aber nicht beeinträchtigen.
Damit werden die Permanentmagnete 5 besser entwärmt, so dass eine Abmagnetisierung der Permanentmagnete 5 vermieden wird. Damit steigen das Drehmoment und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 11.
Die Wärmeabfuhr erfolgt somit über die Bandage an den Luftspalt oder über das Klebeband und/oder den Flüssigklebstoff auf das Rotorblechpaket und letztlich die Welle der elektrischen Maschine.
Derartige elektrische Maschinen werden insbesondere bei Werkzeugmaschinen oder anderen Anwendungen eingesetzt, die insbesondere Reversiervorgänge aufweisen.

Claims

Elektrische Maschine (11) mit einem Stator (9) mit einem Wicklungssystem (8), das in Nuten angeordnet ist und einem Rotor (1), an dessen Oberfläche Permanentmagnete (5) angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete (5) durch mindestens zwei unterschiedliche Befestigungsmittel an der Oberfläche des Rotors (1) fixiert und positioniert sind.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Kombination von zumindest zwei der folgenden Befestigungsmöglichkeiten ausgebildet sind, doppelseitiges Klebeband (3), Flüssigklebstoff und Bandage, insbesondere eine Harz-Glsfaser-Bandage.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Mittel eine vergleichsweise gut wärmeleitende Komponente beigemischt und/oder aufgetragen ist, um den Wärmeübergang von den Permanentmagneten (5) auf die Mittel zu verbessern.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelte Klebeband (3) und/oder die Bandage insbesondere mit Metall bedampft ist.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigklebstoff Metallpartikel beigemischt sind.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebeband (3) doppelseitig klebt und ausgeführt ist.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Klebebandes (3) die Dicke des Belags des Flüssigklebstoffs vorgibt.
Elektrische Maschine (11) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Rotors (1) mehrere axial hintereinander angeordnete und/oder in Umfangsrichtung des Rotors (1) angeordnete oder versetzt angeordnete Permanentmagnete (5) aufweist.
Elektrische Maschine (11) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anfang und Ende zumindest einiger Permanentmagnete (5) auf dem Klebeband (3) positioniert sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (11) nach einem oder mehrere der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen eines Rotors (1), – Bekleben des Rotors mit doppelseitigem Klebeband (3) an vorgebbaren axialen Abschnitten des Rotors (1), – Positionieren der Permanentmagnete (5) auf dem Klebeband (3).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkleber in die Abschnitte des Rotors (1) gegeben wird, der nicht von einem Klebeband (3) bedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Positionieren und Verkleben der Permanentmagnete (5) mit Flüssigkleber zusätzlich eine Bandage um die Permanentmagnete (5) gegeben wird.