DE102007060011A1

DE102007060011A1 - Sekundärteil einer permanenterregten elektrischen Maschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102007060011A1
Application number: DE102007060011A
Authority: DE
Inventors: Michael Könen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sekundärteil (1) einer elektrischen Maschine, wobei das Sekundärteil (1) zwei Stirnseiten (4a, 4b) aufweist, an welchen jeweils eine Endscheibe (5a, 5b) angeordnet ist, wobei die Endscheiben (5a, 5b) mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sekundärteil einer permanenterregten elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sekundärteils.
Permanenterregte elektrische Maschinen weisen im Wesentlichen einen Rotor, einen Stator, ein Rotorlagersystem sowie weitere Komponenten auf. Der Rotor weist i. d. R. ein Rotorblechpaket auf, welches auf eine Stahlwelle aufgepresst ist. Weiterhin weist der Rotor Permanentmagnete zur Erzeugung eines magnetischen Feldes auf. Der Stator weist eine ein- oder mehrphasige Wicklung auf.
Der Rotor weist Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren des Rotorblechpaketes oder an der dem Stator zugewandten Oberfläche des Rotors angeordnet sind. Im Inneren des Rotorblechpaktes angeordnete Permanentmagnete werden auch als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet. Sowohl vergrabene, als auch an der Oberfläche angeordnete Permanentmagnete müssen sicher dauerhaft fixiert werden, um die mechanischen Kräfte bei dynamischen und statischen Belastungen im Betrieb der elektrischen Maschine zu beherrschen und die Permanentmagnete vor Beschädigungen zu schützen.
An der Oberfläche eines Rotors angebrachte Permanentmagnete werden beispielsweise durch Klebstoffe fixiert und durch Bandagenmaterial zusätzlich gesichert.
Vergrabene Permanentmagnete werden in Vertiefungen, auch als Taschen bezeichnet, welche das Rotorblechpaket aufweist, eingelassen oder eingeschoben, wobei anschließend die für die Montage notwendigen Hohlräume durch ein Gießharz ausgefüllt werden können. Beispielsweise werden dazu warm- oder kaltaus härtende Gießharzsysteme auf der Basis von Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonharzen verwendet.
Des Weiteren weist der Rotor an seinen beiden endseitigen Stirnseiten jeweils eine Endscheibe auf, welche u. a. zur elektrischen Isolierung und zur Verspannung des Rotors dient.
Zur Fertigstellung des Rotors ist es notwendig, das Blechpaket entsprechend zu verspannen sowie eine Wuchtung des Rotors vorzunehmen. Es sind beispielsweise bisher folgende viele einzelne Arbeitsschritte vorzunehmen:

– Ausgießen der Magnettasche mittels extrem fließfähigen Kunstharzes,
– Anschrauben der Endscheiben in einem nachgeschalteten Arbeitsschritt,
– Verspannen des Blechpakets mittels Gewindestangen,
– Wuchten des Rotors, z. B. durch Anbohren der Endscheiben (Materialwegnahme).

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Rotor bzw. ein Sekundärteil derart weiterzubilden, dass es schnell, aufwandsarm und kostengünstig herzustellen ist. Ferner ist es die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sekundärteils anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Sekundärteil weist zwei Stirnseiten auf, an welchen jeweils eine Endscheibe u. a. zur elektrischen Isolierung und Verspannung des Sekundärteils angeordnet ist. Erfindungsgemäß weisen die Endscheiben mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial auf. Insbesondere sind die Endscheiben komplett aus Spritzguss-Kunststoffmaterial ausgebildet, wobei das Kunststoffmaterial mit wärmeleitfähigen Partikeln versetzt ist.
Vorteilhafterweise sind die Endscheiben durch Bolzen, welche axial durch das Sekundärteil verlaufen, verbunden. Diese Verbindungsbolzen dienen zur Fixierung der Endscheiben und zum Verspannen des Sekundärteils. Die Bolzen weisen, ebenso wie die Endscheiben, mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial auf. Insbesondere sind auch die Verbindungsbolzen komplett aus dem Spritzguss-Kunststoffmaterial ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindungen weist das Sekundärteil sogenannte vergrabene Permanentmagnete auf. Dazu sind Taschen zur Aufnahme der Permanentmagnete im Eisen-Blechpaket des Sekundärteils ausgebildet. Zur Fixierung der Permanentmagnete in den Taschen werden die Lücken, welche sich zwischen Tasche und in der Tasche angeordnetem Permanentmagneten befinden, mit einem mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztem Spritzguss-Kunststoffmaterial ausgefüllt.
Vorzugsweise weist zumindest eine der beiden Endscheiben zusätzliches Spritzguss-Kunststoffmaterial zur Wuchtung des Sekundärteils auf. Solche zusätzlichen Materialien sind beispielsweise angespritzte Nasen, welche zur Wuchtung bearbeitet werden können (Materialabtrag, Materialverformung etc.).
Kunststoffmaterial ist kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Die Endscheiben, die Verbindungsbolzen zwischen den Endscheiben und die ausgefüllten Taschen der vergrabenen Permanentmagnete weisen das gleiche Material auf, d. h. mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial.
Die genannten Bauteile bzw. Komponenten werden mittels Spritzgießen in einem Arbeitsschritt ausgebildet. Dabei sind die Endscheiben und die Verbindungsbolzen direkt an das Sekundärteil angespritzt, wobei die Verbindungsbolzen direkt an die Endscheiben anspritzt sind.
Die einzelnen Arbeitsschritte, wie Ausgießen der Magnettaschen mittels extrem fließfähigen Kunstharzes, Anschrauben der Endscheiben in einem nachgeschalteten Arbeitsschritt und Verspannen des Blechpakets mittels Gewindestangen entfallen und werden in einem einzigen Arbeitsschritt, insbesondere mittels Spritzguss und Spritzgießverfahren, durchgeführt.
Das Spritzguss-Kunststoffmaterial ist vorteilhaft mit Eisenpulver versetzt. Es sind die Endscheiben, die Verbindungsbolzen zwischen den Endschieben, die Lücken in den Permanentmagnet-Taschen und das Wuchtungsmaterial an zumindest einer Endscheibe mit dem gleichen Spitzguss-Kunststoffmaterial ausgebildet bzw. ausgefüllt.
Durch das Einbringen des Kunststoffmaterials, welches mit Eisen bzw. Eisenpulver versetzt ist, wird an den Permanentmagneten eine bessere Wärmeverteilung erreicht, da keine Luft mehr um die Permanentmagnete ist. Ferner wird mehr Aktivmaterial in das Sekundärteil eingebracht.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist vorzugsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Die elektrische Maschine kann als Außen- oder Innenläufermaschine ausgebildet sein. Ferner kann die Synchronmaschine ein Elektromotor oder ein Generator zur Stromerzeugung oder auch eine Kombination aus beiden sein, die wahlweise als Motor oder Generator arbeitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sekundärteils weist folgende Schritte auf:

a) Herstellen eines Eisen-Blechpakets mit Taschen zur Aufnahme von Permanentmagneten und Kanälen zur Ausbildung von Verbindungsbolzen sowie Anordnen des Eisen-Blechpakets an einer Welle,
b) Anordnen von Permanentmagneten in den Taschen,
c) Anordnen des Eisen-Blechpakets mit Welle und Permanentmagneten in einer Kunststoffspritzgießform,
d) Dosieren von gieß- oder spritzfähigem, mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztem Kunststoffmaterial entsprechend der zu spritzenden Komponenten,
e) Ausspritzen der Lücken zwischen Taschen und in den Taschen angeordneten Permanentmagneten und Ausspritzen der Kanäle zur Ausbildung von Verbindungsbolzen, Anspritzen der Endscheiben und Anspritzen von Material an zumindest einer Endscheibe zur Wuchtung des Sekundärteils.

Das Eisen-Blechpaket, welches aus einer Vielzahl axial nebeneinander geschichteter Elektrobleche besteht, wird zunächst beispielsweise auf eine Stahlwelle aufgepresst. Die einzelnen Elektrobleche sind bereits so ausgebildet, beispielsweise durch Stanzen, dass diese Taschen zur Aufnahme von Permanentmagneten und Kanäle zur Ausbildung von Verbindungsbolzen aufweisen bzw. diese Taschen und Kanäle ergeben sich bei Zusammenfügen der einzelnen Bleche. Anschließen werden die Permanentmagnete in die dafür vorgesehen Taschen eingelassen oder eingeschoben.
Das Eisen-Blechpaket mit Permanentmagneten wird nun in einer entsprechend ausgebildeten Kunststoffspritzgießform einer Kunststoff-Spritzgießmaschine eingelegt. Das mit wärmeleitfähigen Partikeln (z. B. Eisen, Aluminium) versetzte Kunststoffmaterial befindet sich in der Kunststoff-Spritzgießmaschine und entsprechend der zu füllenden Taschen und Kanäle sowie der auszubildenden Endscheiben einschließlich Wuchtungsmaterial dosiert. Das plastifizierte und fließfähige Kunststoffmaterial wird aus einer oder mehreren düsenförmigen Öffnungen in die Kunststoffspritzgießform eingebracht und es werden sämtliche Hohlräume bzw. Lücken gefüllt und die Endscheiben geformt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und schnell ein Sekundärteil herzustellen. Insbesondere durch das direkte Anspritzen einiger Komponenten, wie der Endscheiben und der Verbindungsbolzen zwischen den Endscheiben, sind Arbeits schritte zusammengefasst, wodurch die Herstellung beschleunigt wird.
Weiterhin ist durch das Ausspritzen der Permanentmagnettaschen mit Kunststoffmaterial, welches mit Eisenpulver versetzt ist, die Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Permanentmagnete erhöht, wodurch eine gleichmäßigere Wärmeabgabe an das Eisen-Blechpaket und anschließend an die Umgebung gewährleistet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Eisen-Blechpaket in einer Ansicht von vorn;
2 ein Sekundärteil in einer perspektivischen Ansicht;
3 ein erfindungsgemäßes Sekundärteil in einer perspektivischen Ansicht.
1 zeigt ein Eisen-Blechpaket 8 in einer Ansicht von vorn. Das Eisen-Blechpaket 8 weist eine Vielzahl von einzelnen Elektroblechen auf, welche in die Zeichenebene hinein hintereinander angeordnet und beispielsweise durch Stanzpaketieren zusammengefügt sind. Das Eisen-Blechpaket 8 ist auf eine Welle 9 aufgepresst oder aufgeschrumpft.
Das Eisen-Blechpaket 8 weist beispielhaft vier Taschen 3 auf, in welchen jeweils ein Permanentmagnet 2 angeordnet ist. Die vier Permanentmagnete 2 bilden die Erregerpole des Sekundärteils, wodurch eine vierpolige Synchronmaschine realisiert werden kann. Damit die Permanentmagnete 2 in die Taschen 3 eingelassen oder eingeschoben werden können, sind die Taschen 3 i. d. R. größer ausgebildet als die Permanentmagnete, wodurch jedoch Lücken 6 entstehen. Solche Lücken 6 sind jedoch unerwünscht, da so der Permanentmagnet 2 nicht sicher fixiert ist und zusätzliche Luft im Eisen-Blechpaket 8 vorhanden ist. Daher werden die Lücken 6 zur Fixierung der Permanentmagnete 2 ausgegossen.
Weiterhin sind beispielhaft vier Kanäle 10 dargestellt, welche dazu dienen, Verbindungsbolzen zwischen (nicht gezeigten) Endscheiben auszubilden. Die Kanäle 10 werden mit Kunststoffmaterial, welches mit wärmeleitfähigen Partikeln, beispielsweise Eisenpulver, versetzt ist, ausgespritzt.
2 zeigt ein Sekundärteil 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Sekundärteil 1 weist die zwei endseitigen Stirnseiten 4a und 4b auf, wobei an der Stirnseite 4a bereits eine Endscheibe 5a angeordnet ist. Das Sekundärteil 1 gemäß 2 befindet sich gerade in einem Arbeitsschritt. Man stelle sich vor, dass sich das Eisen-Blechpaket 8 mit Permanentmagneten 2 in einer Spritzgießform befindet. Zuerst wird die Endscheibe 5a mittels des Kunststoffmaterials 11 geformt. Anschließend werden die Lücken 6 und die Kanäle 10 mit dem gleichen Kunststoffmaterial 11 ausgespritzt. Abschließend wird eine zweite Endscheibe an der Stirnseite 4a angeformt, was in 3 dargestellt ist.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Sekundärteil 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Sekundärteil 1 entspricht dabei dem Sekundärteil 1 gemäß 2, wobei nun der Arbeitsschritt vollendet ist, d. h. die zweite Endscheibe 5b wird abschließend direkt an das Eisen-Blechpaket 8 angespritzt. Optional kann an eine oder beide Endscheiben 5a, 5b weiteres Kunststoffmaterial 11 zur Wuchtung des Sekundärteils 1 angespritzt werden, wobei das dann Material 11 entsprechend bearbeitet wird (Materialabtrag etc.). Beispielhaft sind dazu Nasen 12 gezeigt, welche an der Endscheibe 5b zur eventuellen Wuchtung angespritzt sind.
In einem einzigen Arbeitsschritt werden die Endscheiben 5a, 5b geformt, die Permanentmagnete 2 in den Taschen 3 fixiert, indem die Lücken 6 ausgespritzt werden und die Verbindungs bolzen 7 zur Verbindung der beiden Endscheiben 5a, 5b untereinander geformt, indem die Kanäle 10 ausgespritzt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit aufwandsarm, schnell und preisgünstig ein Sekundärteil 1 für eine elektrische Maschine bereitgestellt werden.

Claims

Sekundärteil (1) einer elektrischen Maschine, wobei das Sekundärteil (1) zwei Stirnseiten (4a, 4b) aufweist, an welchen jeweils eine Endscheibe (5a, 5b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheiben (5a, 5b) mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial aufweisen.
Sekundärteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheiben (5a, 5b) durch Verbindungsbolzen (7), welche axial durch das Sekundärteil (1) verlaufen, verbunden sind, wobei die Verbindungsbolzen (7) mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztes Spritzguss-Kunststoffmaterial aufweisen.
Sekundärteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (1) Permanentmagnete (2) und Taschen (3) zur Aufnahme der Permanentmagnete (2) aufweist, wobei zumindest ein Permanentmagnet (2) in einer Tasche (3) angeordnet ist, und wobei sich zwischen Tasche (3) und in der Tasche (3) angeordnetem Permanentmagneten (2) befindliche Lücken (6) mit einem mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztem Spritzguss-Kunststoffmaterial ausgefüllt sind.
Sekundärteil (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Endscheiben (5a, 5b) zusätzliches Spritzguss-Kunststoffmaterial (12) zur Wuchtung des Sekundärteils (1) aufweist.
Sekundärteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Spritzguss-Kunststoffmaterial mit Eisenpulver versetzt ist.
Sekundärteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbin dungsbolzen (7) direkt an die Endscheiben (5a, 5b) angespritzt sind.
Sekundärteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheiben (5a, 5b) und die Verbindungsbolzen (7) direkt an das Sekundärteil (1) angespritzt sind.
Permanenterregte Synchronmaschine, welche ein Sekundärteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sekundärteils (1) mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Herstellen eines Eisen-Blechpakets (8) mit Taschen (3) zur Aufnahme von Permanentmagneten (2) und Kanälen (10) zur Ausbildung von Verbindungsbolzen (7) sowie Anordnen des Eisen-Blechpakets (8) an einer Welle (9), b) Anordnen von Permanentmagneten (2) in den Taschen (3), c) Anordnen des Eisen-Blechpakets (8) mit Welle (9) und Permanentmagneten (2) in einer Spritzgießform, d) Dosieren von gieß- oder spritzfähigem, mit wärmeleitfähigen Partikeln versetztem Kunststoffmaterial entsprechend der zu spritzenden Komponenten, e) Ausspritzen der Lücken (6) zwischen Taschen (3) und in den Taschen (3) angeordneten Permanentmagneten (2) und Ausspritzen der Kanäle (10) zur Ausbildung von Verbindungsbolzen, Anspritzen der Endscheiben (5a, 5b) und optional Anspritzen von Material an zumindest einer Endscheibe (5a, 5b) zur Wuchtung des Sekundärteils (1).
Verfahren zur Herstellung eines Sekundärteils (1) nach Anspruch 8, wobei die Endscheiben (5a, 5b) und die Verbindungsbolzen (7) zwischen den Endscheiben (5a, 5b) direkt an das Eisen-Blechpaket (8) angespritzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Sekundärteils (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Spritzguss-Kunststoffmaterial mit Eisenpulver versetzt ist.