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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Aktivteil und insbesondere einen
Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Blechpaket, einem Permanentmagneten,
der in dem Blechpaket angeordnet ist und dort einen magnetischen
Fluss hervorruft, sowie einem Klemmelement, das den Permanentmagneten
an eine Wand des Blechpakets drückt.
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Permanentmagneterregte,
rotatorische, elektrische Maschinen werden im Rotor mit Magneten
bestückt. Diese müssen fixiert werden, um im Betrieb
vibrations- und drehzahlfest zu sein und über die Lebensdauer
allen Umweltbedingungen standhalten zu können. Eine Montage
wird bisher mit Hilfsstoffen wie z. B. Klebstoffen realisiert, die
in einer Fertigung einen aufwändigen Prozess nötig
machen. Dadurch sind auch zusätzliche Luftspalte im magnetischen Kreis
fertigungsbedingt vorhanden.
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Konkret
werden bisher Magnete durch Kunststoffe gehalten, die deutliche
Grenzen in der Festigkeit und aufgrund von Alterung besitzen. Außerdem
muss stets ein Klebespalt vorgesehen werden, der den magnetischen
Kreis beeinträchtigt. Die Fixierung erfolgt entweder durch
Kleben mit anschließendem Erwärmungsprozess, oder
bei kleinen Bauteilen durch Spritzgießen. Die Magnete müssen
in engen Toleranzen gefertigt werden, um die Fixierung mit Kleben
zu gewährleisten.
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Ein
gattungsgemäßes Aktivteil (Rotor) ist aus der
Druckschrift
DE
10 2007 029 719 A1 bekannt. Die dort beschriebene elektrische
Maschine, die als Elektromotor ausgestaltet sein kann, weist einen
Rotor auf. Der Rotor umfasst mehrere Lamellen, die ein Lamellenpaket
ergeben. In dem Lamellenpaket sind Aussparungen vorgesehen, in die
Magnete eingesetzt sind. Ferner sind an den Lamellen federnde Ansätze
ausgebildet. Dabei bewirkt ein Teil der federnden Ansätze
eine radiale Positionierung und Befestigung der Magnete, während
ein anderer Teil der federnden Ansätze eine tangentiale
Positionierung und Befestigung der Magnete erzielt.
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Darüber
hinaus offenbart die Druckschrift
DE 10 2005 041 676 A1 eine
Blechpaketanordnung für eine elektrische Maschine sowie
einen permanentmagneterregten Rotor. Die Blechpaketanordnung weist
einen Stapel magnetisch leitender Bleche mit Ausnehmungen auf, um
im Stapel der Bleche in einem von den Ausnehmungen gebildeten Aufnahmeraum
Permanentmagnete anordnen zu können. Ein Rand von zumindest
einer Ausnehmung, die Teil des Aufnahmeraums ist, ist derart ausgebildet,
dass ein elastisch nachgiebiges Element entsteht, welches in der
Lage ist, einen im Aufnahmeraum angeordneten Magneten elastisch
zu fixieren. Das elastisch nachgiebige Element umfasst eine brückenartige
Ausgestaltung mit einem Öffnungsbereich, von der Ausnehmung
aus betrachtet, hinter dem elastischen Element und/oder ein aus
dem Randverlauf der Ausnehmung herausstehenden Arm, der senkrecht
zur Drehachse der Maschine federn kann.
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Weiterhin
ist in der Druckschrift
DE 10 2004 042 927 A1 ein Läufer
für eine elektrische Maschine beschrieben. Dieser Läufer
ist drehbar und/oder in axialer Richtung verschiebbar in einem Stator
gelagert. Der Läufer hat mindestens einen Permanentmagneten,
wobei mindestens ein umlaufendes Band den Läufer mit seinem
mindestens einen Permanentmagneten radial von außen umschlingt
und den mindestens einen Permanentmagneten am Läufer hält. Ein
Halteelement ist derart federnd ausgebildet, dass es einen Permanentmagneten
seitlich kraftbeaufschlagt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad
einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein Aktivteil einer elektrischen
Maschine mit einem Blechpaket, einem Permanentmagneten, der in dem
Blechpaket angeordnet ist und dort einen magnetischen Fluss hervorruft,
sowie einem Klemmelement, das den Permanentmagneten an eine Wand des
Blechpakets drückt, wobei das Klemmelement derart ausgebildet
ist, dass der überwiegende Teil des magnetischen Flusses
vom Permanentmagneten über das Klemmelement zum Blechpaket
im Wesentlichen luftspaltfrei verläuft.
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In
vorteilhafter Weise ist es durch das Klemmelement möglich,
Permanentmagnete mit großen Toleranzbereichen zu verwenden
und dennoch den magnetischen Kreis zu verbessern, denn der magnetische
Fluss verläuft durch das Klemmelement, das den Permanentmagneten
in dem Blechpaket fixiert. Damit erhält das Klemmelement
die zusätzliche Funktion der Leitung des überwiegenden
Teils des durch den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses.
Hierdurch kann eine Luftspaltfreiheit des magnetischen Flusses in
dem Aktivteil gewährleistet werden.
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Vorzugsweise
ist das Klemmelement einstückig mit dem Blechpaket verbunden.
Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten des Blechpakets reduzieren.
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Weiterhin
kann das Klemmelement einen Klemmabschnitt und einen Federabschnitt
aufweisen, der Klemmabschnitt von dem Federabschnitt an den Permanentmagneten
gedrückt werden, und der Permanentmagnet an dem Blechpaket
abgestützt sein. Bei dieser Gestaltung des Klemmelements kann
in ohne Weiteres ersichtlicher Weise eine Luftspaltfreiheit des
magnetischen Flusses vom Blechpaket über den Permanentmagneten
zu der Klemmeinrichtung erreicht werden.
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Speziell
kann der Federabschnitt des Klemmelements mäanderförmig
gebildet sein. Die Mäanderform kann auch bei verhältnismäßig
sprödem Material zu einer Federfunktion führen.
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Der
Federweg des Federabschnitts ist günstigerweise kleiner
als 1 mm. Dieser kleine Federweg kann auch durch das magnetisch
günstige Elektroblech erreicht werden und genügt,
um die Toleranzschwankungen von billigen Magneten mit Beschichtung
ausgleichen zu können.
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Darüber
hinaus kann das Klemmelement zwei Permanentmagnete in dem Blechpaket
halten und der magnetische Fluss durch beide Permanentmagnete verlaufen.
Dadurch kann die Anzahl der Klemmelemente in dem Aktivteil auf die
Hälfte der Permanentmagnete gesenkt werden. Es können aber
auch Klemmelemente vorgesehen sein, die mehr als zwei Permanentmagnete
in dem Blechpaket fixieren. Auch hier verläuft der magnetische
Fluss im Wesentlichen luftspaltfrei durch das Aktivteil.
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Bei
der Fertigung der Einzelbleche des Blechpakets kann ein Abschnitt
des Klemmelements (viele derartige Abschnitte bilden das Klemmelement,
ebenso wie viele Einzelbleche das Blechpaket bilden) jeweils zusammen
mit einem Einzelblech gestanzt sein. Dies bedeutet, dass das Klemmelement aus
dem gleichen Material besteht wie das Blechpaket und außerdem
gleichzeitig mit der Paketierung der Einzelbleche das Klemmelement
entsteht.
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Das
erfindungsgemäße Aktivteil kann als Rotor einer
elektrischen Maschine und insbesondere eines Elektromotors ausgebildet
sein. Darüber hinaus kann das Aktivteil auch beispielsweise
das Primärteil oder Sekundärteil eines Linearmotors
sein.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen
Rotorausschnitt in axialer Draufsicht mit Darstellung der prinzipiellen
erfindungsgemäßen Wirkungselemente;
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2 einen
Abschnitt eines Elektroblechs gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 einen
Abschnitt eines Elektroblechs gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 einen
Abschnitt eines Elektroblechs gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die
nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
dar.
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In
dem Beispiel von 1 ist ein Ausschnitt eines Rotorblechpakets
oder eines Einzelblechs davon in der Stirnseitenansicht (axiale
Richtung) dargestellt. Das Blechpaket bzw. jedes einzelne Blech
besitzt Aussparungen 1, in die Permanentmagnete eingesteckt
werden können. Die Permanentmagnete sind so magnetisiert
bzw. eingesteckt, dass sie in dem Blechpaket einen magnetischen
Fluss 2 bewirken. In dem konkreten Beispiel verläuft
der magnetische Fluss 2 nahezu halbkreisförmig
zunächst ausgehend von der Mantelfläche des Blechpakets
in etwa radial nach innen durch den ersten Permanentmagneten, dann
abgelenkt in Umfangsrichtung weiter durch das Blechpaket zu einem
zweiten Permanentmagneten und durch ihn hindurch etwa in radialer
Richtung nach Passage eines kurzen Stücks durch das Blechpaket
aus der Mantelfläche des Blechpakets heraus. Der magnetische
Fluss 2 durchläuft hier also ein Paar von Permanentmagneten.
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Da
die Permanentmagnete fertigungsbedingt gewissen Toleranzen unterworfen
sind (einschließlich etwaiger Beschichtung), werden sie
hier durch eine Klemmeinrichtung 3 in die jeweiligen Aussparungen 1 gedrückt.
Speziell wird jeder Permanentmagnet mit einer Kraft F in seine Aussparung
gepresst.
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Das
Blechpaket muss hier also zwei Funktionen erfüllen, zum
einen die möglichst verlustfreie Leitung des magnetischen
Flusses und zum anderen die hinreichende Fixierung der Permanentmagnete
in den Aussparungen. Konventionell müssen die Aussparungen
so groß sein, dass sie einen Magneten mit der größten
Toleranz noch aufnehmen und einen ausreichenden Klebespalt gewährleisten
können. Dadurch ergibt sich jedoch ein mehr oder weniger großer
Luftspalt, der den magnetischen Widerstand erhöht und damit
den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine herabsetzt.
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Erfindungsgemäß wird
daher ein Klemmelement bereitgestellt, das beiden Funktionen gleichermaßen
Rechnung trägt. Zum einen leitet es einen überwiegenden
Teil des magnetischen Flusses 2 und zum anderen ist es
verschiebbar, um Toleranzen der Magnete ausgleichen zu können.
Demnach erfolgt eine Fixierung der Permanentmagnete durch ein bewegliches
Element 3 im Blechpaket, das vorzugsweise beim Blechstanzen
mit gestanzt wird. Dieses Klemmelement 3 wird durch eine
Spannfeder an den Magneten gepresst und hält den Magneten
somit in Position. Gleichzeitig bildet das Klemmelement einen Teil
des magnetischen Kreises, und in dem magnetischen Kreis muss kein
Luftspalt für Toleranzausgleiche vorgesehen werden. Darüber
hinaus sind auch für die Fertigung keine Kunststoffe nötig,
was den Herstellungsprozess schnell und hoch automatisierbar macht.
Außerdem können durch das bewegliche Element größere
Toleranzen der Permanentmagnete toleriert und ausgeglichen werden.
Insbesondere müssen Magnete nach dem Sintern nicht mehr
bearbeitet werden, was zu Kosteneinsparungen bzw. billigeren Magneten
führt. Durch das Aufbringen der Kraft F mithilfe des Klemmelements 3 kann
ferner ein Klebeschritt entfallen, wodurch wiederum die Fertigungskosten
sinken. Zuguterletzt wird auch der Luftspalt zwischen Magnet und
Elektroblech minimiert, was der Leistungsfähigkeit der
Maschine zugute kommt.
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Eine
konkrete Ausgestaltung gemäß einer ersten Ausführungsform
eines Blechs bzw. Blechpakets des Rotors einer elektrischen Maschine
ist in 2 wiedergegeben. Konkret ist dort ein Sektor des Blechpakets 4 mit
zwei Permanentmagneten 5 und 6 erfindungsgemäß gestaltet.
Ein Klemmelement 7 drückt die Permanentmagnete 5 und 6 radial
nach außen an die Wände entsprechender Aussparungen im
Blechpaket 4. Das Klemmelement 7 besteht hier aus
einem Klemmabschnitt 8 und einem Federabschnitt 9.
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Der
Klemmabschnitt 8 steht direkt mit den Permanentmagneten 5 und 6 in
Berührung und drückt diese nach außen.
Außerdem dient der Klemmabschnitt 8 als Joch,
das die magnetischen Pole der Permanentmagnete 5 und 6 verbindet.
Da der Klemmabschnitt an der ganzen Seite des jeweiligen Permanentmagneten 5, 6 anliegt,
fließt der ganze bzw. zumindest der überwiegende
Teil des magnetischen Flusses 10 durch den Klemmabschnitt 8.
Dabei hat er keinen bzw. nahezu keinen Luftspalt zu durchdringen,
so dass die Verluste entsprechend niedrig sind.
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Die
Klemmkraft des Klemmelements wird durch den Federabschnitt 9 erzeugt.
Hierzu sind halbkreisförmige Federelemente vorgesehen,
die das Blechpaket 4 einstückig mit dem Klemmabschnitt 8 federnd
verbinden. Dies bedeutet, dass hier beim Ausstanzen der Einzelbleche
das Klemmelement und speziell der Klemmabschnitt 8 und
der Federabschnitt 9 bereits mit entstehen. Sämtliche
Komponenten 4, 8 und 9 sind also aus
dem gleichen Material: Elektroblech.
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In
dem Beispiel von 2 ist das Klemmelement 7 an
der radial außen liegenden Seite des Blechpakets 4 an
dem Federabschnitt 9 aufgehängt. Damit der Klemmabschnitt 8 einen
gewissen Federweg bewegt werden kann, ist ein Spalt 11 um
den Klemmabschnitt 8 in dem Blechpaket 4 vorgesehen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Blechpakets mit einstückig
angeformtem Klemmelement ist in 3 wiedergegeben.
Ein Klemmelement 17 drückt wiederum zwei Permanentmagnete 15 und 16 an
die Aussparungen des Blechpakets 14. Der Klemmabschnitt 18 des
Klemmelements 17 ist in etwa so geformt wie die Silhouette
der Flügel eines fliegenden Vogels. Dabei liegen die Vorderkanten
der Flügel an den jeweiligen Permanentmagneten 15 und 16 an.
Der Klemmabschnitt 18 wird hier durch einen einzigen mäanderförmigen
Federabschnitt 19 radial von innen gestützt. Der
Federabschnitt 19 bringt also Schubkraft auf, während
der Federabschnitt 9 von 2 Zugkraft
erzeugt. Mit dieser Ausgestaltung des Klemmelements 17 lässt
sich eine Reduzierung der Klemmmasse zur Entlastung der Außenabschnitte
des Blechpakets 14 erreichen. Der Federweg für die
unbearbeiteten Magnete 15, 16 beträgt
beispielsweise 0,4 mm.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Aktivteils (hier wieder Rotor eines Elektromotors) wird anhand eines
Abschnitts des Blechpakets 24 von 4 erläutert.
Auch hier drückt ein Klemmabschnitt 28 die Permanentmagnete 25 und 26 gegen
eine Aussparung im Blechpaket 24. Im vorliegenden Beispiel
sind jedoch zwei Federabschnitte 29 und 30 vorgesehen,
die sich radial innen an dem Blechpaket 24 abstützen
und den Klemmabschnitt 28 nach außen drücken.
Die beiden Federabschnitte 29 und 30 sind hier
ebenfalls mäanderförmig ausgebildet und an das
Blechpaket 24 bzw. den Klemmabschnitt 28 „angestanzt”.
Auch bei dieser Ausführungsform wird eine Verbesserung
des magnetischen Kreises gegenüber eingeklebten Magneten
dadurch erreicht, dass der komplette magnetische Rückschluss
des Elektroblechpakets zur Klemmung so verschoben wird, dass er
immer am Magnet anliegt. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig
ein Luftspalt vermeiden.
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- 1
- Aussparungen
- 2,
10
- magnetische
Flüsse
- 3,
7, 17
- Klemmelemente
- 4,
14, 24
- Blechpakete
- 5,
6, 15, 16, 25, 26
- Permanentmagnete
- 8,
18, 28
- Klemmabschnitte
- 9,
19, 29, 30
- Federabschnitte
- 11
- Spalt
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007029719
A1 [0004]
- - DE 102005041676 A1 [0005]
- - DE 102004042927 A1 [0006]