DE102007014192A1

DE102007014192A1 - Läufer mit Bandage für hohen Drehzahlen

Info

Publication number: DE102007014192A1
Application number: DE102007014192A
Authority: DE
Inventors: Frank Taeubner
Original assignee: Taubner Frank Dr
Current assignee: Taubner Frank Dr
Priority date: 2007-03-24
Filing date: 2007-03-24
Publication date: 2008-06-05

Abstract

In der Patentschrift wird ein Verfahren für die Herstellung einer neuartigen Läuferpaketeinrichtung mit Permanentmagneten (2) am Umfang und einer Bandage (3) beschrieben. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (2) zylindrisch geschliffen werden, das Aufpressen der Bandage (3) über einen Aufpresskegel (5) erfolgt, der nach dem Pressvorgang entfernt wird und die Stirnflächen der Magnete (2) durch Faserverbundscheiben (4) abgeschlossen werden. Mit dem Verfahren lassen sich Rotoren mit beliebiger Länge bandagieren. Je nach Länge der Magnete kann eine entsprechende Anzahl Bandagen (3) hintereinander aufgeschoben werden. Die Erfindung betrifft das Gebiet der Synchronmotoren mit Permanentmagneten, die bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden sollen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Läufervorrichtung für elektrische Maschinen mit einer zylindrischen Läuferpaketeinrichtung (1), mit mehreren Permanentmagneten (2), die am Außenumfang der Läuferpaketeinrichtung (1) angeordnet sind, und mit einer Bandage aus Faserverbundmaterial (3), die mit einer Vorspannung auf die Läuferpakteinrichtung (1) derart aufgebracht ist, dass sie die Permanentmagnete (2) am Außenumfang der Läuferpaketeinrichtung (1) fixiert.
Stand der Technik
Läufer von Synchronmotoren mit hohen Drehzahlen, bei denen Permanentmagnete am Außenumfang des Läuferpaketes angeordnet sind, benötigen zur radialen Fixierung der Permanentmagnete eine Bandage, die die Permanentmagnete an das Läuferpaket presst. Gemäß dem Stand der Technik wird dazu vorzugsweise ein Kohlenstofffaserverbundmaterial benutzt, das eine hohe Festigkeit und gleichzeitig eine geringe Dichte hat. Damit die Presskraft zwischen Magneten und dem Läuferpaket auch bei hohen Drehzahlen und den entsprechend hohen Fliehkräften erhalten bleiben, ist eine große Vorspannung der Bandage erforderlich. Das Aufbringen der Bandage mit einer großen Vorspannung stellt ein technisches Problem dar, das erstmals in der Patentschrift DE 41 42 461 gelöst wurde. Dabei erfolgte die Gestaltung des Läuferpaketes und der Bandage leicht konisch, so dass sich nach dem Aufschieben die benötigte Vorspannung einstellte. In der Patentschrift DE 43 20 894 ist die Anordnung dahingehend ergänzt, dass unter der tragenden Kohlenstofffaserbandage eine Schutzschicht eingearbeitet wurde, die zum einen beim Aufschieben die leicht spröden und empfindlichen Kohlenstofffasern vor Beschädigung schützt und zum anderen eine elektrische Isolation zwischen der leitfähigen Kohlenstofffaserbandage und den leitfähigen Magneten bildet. Vorzugsweise wird eine Glasfaserlage dazu benutzt.
Diese beschriebene Anordnung und das damit festgelegte Herstellungsverfahren hat vier Nachteile. Zum ersten wird das Magnetfeld entsprechend dem Kegelschliff der Magnete zum Ende der Welle schwacher. Es ist nicht möglich, über die gesamte Länge der Magnete ein gleichmäßiges Magnetfeld zu erzeugen.
Zum zweiten werden für jeden Rotor immer wieder ein oder zwei Aufpresskegel benötigt, die neben den Magneten auf die Welle geklebt werden und gemeinsam mit den Magneten konisch geschliffen werden. Nach dem Aufschieben der Bandage werden diese Aufpresskegel durch Abdrehen entfernt und können nicht erneut verwendet werden.
Zum dritten verbleibt ein Ring des Aufpresskegels unter der Bandage und schließt die Magnete stirnseitig ab. Da der Aufpresskegel aus Metall besteht, werden nach der Fertigstellung die Magnete stirnseitig von zwei Metallringen eingeschlossen. In diesen Ringen entstehen beim Betrieb der Rotoren Wirbelströme, die zur Aufheizung der Ringe führen und die nutzbare Dauerleistung des Rotors begrenzen können.
Zum vierten können die Bandagen und Formen für längere oder kürzere Läufer mit sonst gleichen Abmessungen nicht verwendet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Patentschrift ist es, die bezeichneten Nachteile zu überwinden und eine einfache und leistungsfähigere Anordnung für ein Läuferpaket zu finden.
Aufgabenstellung
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Läufereinrichtung mit außenliegenden Permanentmagneten zu finden, in dem die Magnete Zylinderform haben und mit einer Bandage so fixiert werden, dass die benötigten Hilfsmittel und insbesondere die auf ein genaues Maß geschliffenen Aufpresskegel wiederverwendet werden können, und dass Metallringe als stirnseitige Begrenzung der Magnete nicht mehr erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Läufervorrichtung für elektrische Maschinen mit einer zylindrischen Läuferpaketeinrichtung (1), mehreren Permanentmagneten (2), die am Außenumfang der Läuferpaketeinrichtung (1) angeordnet sind, und einer Bandage (3), die mit einer Vorspannung derart aufgebracht wurde, dass die Permanentmagnete (2) zylindrisch geschliffen werden,
dass das Aufpressen der Bandage mit einem Aufpresskegel (5) erfolgt, der nach dem Aufpressen entfernt wird, und dass Scheiben aus Faserverbandmaterial (4) angebracht werden, die die Permanentmagnete (2) und das Läuferpaket in axialer Richtung einschließen.
In vorteilhafter Weise können durch die Erfindung die Bandagen, der Rotor mit den Permanentmagneten und der Aufpresskegel unabhängig von einander auf Maß gearbeitet werden, so dass der Aufpresskegel immer wieder verwendet werden kann. Der Rotor mit den Permanentmagneten hat unabhängig von seiner Länge immer den gleichen Durchmesser. Sofern längere Rotoren bandagiert werden sollen, ist das mit der selben Technologie möglich. Es können dann einfach mehrere Bandagenringe nacheinander über den längeren Rotor aufgeschoben werden. Die Länge des Bandagenringes, der in einem Bearbeitungsschritt aufgeschoben wird, lässt sich mir bis zu einer bestimmten kritischen Grenze ausdehnen, da in Abhängigkeit von der Länge des Bandagenrings die Kraft für das Aufpressen ansteigt. Ab der kritischen Grenze besteht die Gefahr der Zerstörung der Bandage durch einen zu hohen Druck in axialer Richtung beim Aufpressen. Dadurch dass jeweils einzelne Bandagenringe benutzt werden, können Rotoren mit beliebiger Länge bandagiert werden, was nach dem Patent DE 43 20 894 nicht möglich ist.
Nach dem Entfernen des Aufpresskegels ist es nicht mehr erforderlich, die Stirnseiten der Magnete durch Metallringe zu schützen, es können nun mehr Ringe aus Faserverbandmaterial benutzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem Unteransprüchen. In vorteilhafter Weise können für die Bandage Kohlenstofffasern eingesetzt werden, diese ermöglichen durch ihre hohe Festigkeit eine hohe Vorpressung.
In vorteilhafter Weise wird ein heißhärtendes Epoxidharz eingesetzt, da damit eine bessere Festigkeit bei höheren Temperaturen erreicht wird.
Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten 1 bis 8 näher erläutert. Das nachfolgende Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Es zeigen
1 – Erste Teilschritt: Aufpressen des unteren Faserverbundringes (4a) auf die Welle (8)
2 – Zweiter Teilschritt: Aufpressen des Läuferpakets (1) auf die Welle (8)
3 – Dritter Teilschritt: Aufkleben der Magnete (2) auf das Läuferpaket (1)
4 – Vierter Teilschritt: Schleifen der Magnete (2) auf einen definierten Durchmesser und auf eine ebene Stirnfläche
5 – Vor dem fünften Teilschritt: Aufpressen der Bandage (3)
6 – Während des fünften Teilschrittes: Beim Aufpressen der Bandage (3)
7 – Sechster Teilschritt: Aufpressen des oberen Faserverbundringes (4b)
8 – Querschnitt des fertigen Läufers nach Abschluss des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
Es sind

1: Läuferpaket,
2: Permanentmagnete,
3: Bandage,
4: Faserverbundscheibe,
4a: untere Faserverbundscheibe,
4b: obere Faserverbundscheibe,
5: Aufpresskegel,
6: untere Presshilfsform,
7: obere Presshilfsform,
8: Welle.

Das Herstellungsverfahren des Ausführungsbeispiels beginnt mit der Aufpressung der unteren Faserverbundscheibe (4a) auf die Welle (8), siehe 1. Die Überdeckung zwischen Faserverbundscheibe (4a) und Welle (8) beträgt einige 0,01 mm, so dass die Faserverbundscheibe (4a) sich bei voller Drehzahl noch nicht von der Welle (8) lösen kann. Als zweiter Teilschritt werden die benötigten Läuferblechpakete (1) auf die Welle aufgepresst, siehe 2. Die Läuferblechpakete (1) sind aus eine Anzahl dünner Bleche durch Verschweißen hergestellt, damit die Erwärmung durch die Oberwellen der Felder gering bleibt. Die Läuferblechpakete (1) werden innen auf Maß geschliffen, so dass eine definierte Überdeckung von einigen 0,01 mm mit der Welle (8) eingestellt wird. Die Überdeckung muss so groß sein, dass sich die Läuferpakete (1) bei voller Drehzahl noch nicht von der Welle (8) lesen können.
In 3 ist der dritte Teilschritt, das Aufkleben der Magnete (2) dargestellt. Es empfiehlt sich als Klebstoff Epoxidharz zu verwenden und durch das Einkleben von Kunststofffäden einen Klebespalt von 0,1 bis 0,2 mm einzustellen. Vor dem Kleben müssen die Magnete sorgfältig entfettet und gereinigt werden. Die Beseitigung von Rückständen und einer Oxidschicht erfolgt durch das Schleifen mit feinem Sandpapier. Die Entfernung des magnetischen Staubs ist durch das Abreiben mit Latex-Folie einfach möglich. Latex-Folie sind in der Form von Operationshandschuhen preiswert verfügbar. Die Magnete (2) müssen eine volle Zylinderfläche bilden, sofern Zwischenräume auf dem Umfang vorhanden sind, müssen diese durch Füllstoffe ausgeglichen werden.
Das Anpressen der Magnete (2) während des Klebens darf nur ohne einen elektrischen Kontakt zu den Magneten erfolgen. Ansonsten bauen sich Potentiale auf, die eine sichere Klebeverbindung zwischen Magneten und Epoxidharz verhindern.
Im vierten Teilschritt erfolgt das zylindrische Schleifen der Magnete (2) und der unteren Faserverbundscheibe (4a) auf ein vorgegebenes Maß, sowie das Schleifen der Magnete (2) und des Läuferpakets (1) an der Stirnseite soweit bis eine ebene Fläche erreicht ist, wie in 4 dargestellt. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Abmessungen der Magnete (2) und des Läuferpakets (1) so abgestimmt sind, dass die Magnete (2) vor dem Schleifen leicht über das Läuferpaket (1) hinausragen.
Im fünften Teilschritt erfolgt das Aufsetzen des Aufpresskegels (5) auf die geschliffene Stirnfläche der Magnete (2) und das Ausrichten nach der Außenfläche. Dann werden die vorgefertigten Bandagen (3) auf den Aufpresskegel aufgesetzt und mit einer geeigneten oberen Presshilfsform (7) auf die Magnete (2) und die untere Faserverbundscheibe (4a) gepresst. Die Welle (8) mit dem Läuferpaket (1) wird durch eine untere Presshilfsform (6) im Bereich der unteren Faserverbundscheibe (4a) unterstützt. Es wird ein Bandagenring (3) nach dem anderen aufgepresst, wie aus den 5 und 6 zu erkennen ist. Nachdem der Pressvorgang der Bandage beendet ist, wird der Aufpresskegel (5) entfernt. Das Maß der Bandagenringe (3) ist so zu wählen, dass die gesamte Bandage um 1 bis 2 mm länger als die Magnete (2) und der untere Faserverbundring (4a) ist. Beim Aufpressen wird die Bandage in Umfangsrichtung stark gedehnt und dadurch verkürzt sie sich in axialer Richtung um 1 bis 2 mm. Der Innendurchmesser der Bandage (3) ist um einige 0,1 mm kleiner als der Durchmesser der geschliffenen Magneten (2). Die Überdeckung wird so eingestellt, dass bei voller Drehzahl die Magnete (2) noch auf das Läuferpaket (1) drücken.
Die letzen Teilschritte sind das Aufpressen des oberen Faserverbundringes (4b) auf die Welle (8), wie in 7 dargestellt, und die Oberflächenbearbeitung der Bandage und des oberen Faserverbundringes (4b), so dass das Endmaß des Läuferdurchmessers erreicht wird. Der so gefertigte Läufer ist in der 8 im Schnitt dargestellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Läufervorrichtung für elektrische Maschinen mit einer zylindrischen Läuferpaketeinrichtung (1), mehreren Permanentmagneten (2), die am Außenumfang der Läuferpaketeinrichtung (1) angeordnet sind, und einer Bandage aus Faserverbundmaterial (3), die mit einer Vorspannung auf die Läuferpaketeinrichtung (1) derart aufgebracht ist, dass sie die Permanentmagnete (2) am Außenumfang der Läuferpaketeinrichtung (1) fixiert, gekennzeichnet dadurch, dass die Permanentmagnete zylindrisch geschliffen werden, dass das Aufpressen der Bandage mit einem Aufpresskegel (5) erfolgt, der nach dem Aufpressen entfernt wird, und dass Scheiben aus Faserverbundmaterial (4) angebracht werden, die die Permanentmagnete und das Läuferpaket in axialer Richtung einschließen.
Verfahren zur Herstellung einer Läufervorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Bandage aus Kohlenstofffaser-Verbundmaterial besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Läufervorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass als Matrix für den Faserverbund heißhärtendes Epxoidharz benutzt wird.