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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine schnell drehende permanentmagneterregte elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors, wie er gattungsgemäß in der
DE 10 2006 048 966 A1 beschrieben ist, insbesondere für elektrische Maschinen mit hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen. Die
DE 43 31 803 A1 , die
DE 100 57 838 A1 , die
DE 101 10 660 A1 , die
DE 102 36 609 A1 , die
JP 2004 -
23 864 A , die
JP 2002- 78 256 A , die
JP 2000- 116 038 A , die
JP 2002-2 04 540 A A, die
JP 2006- 0 94 614 AA, die
JP 2008- 0 29 144 A A und die
JP 2008- 1 04 311 A A beschreiben ebenfalls Rotoren für schnell drehende permanentmagneterregte elektrische Maschinen.
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Rotieren Körper mit hoher Drehzahl um eine Achse, so treten an ihren Oberflächen hohe Umfangsgeschwindigkeiten und Radialbeschleunigungen auf. Werden auf diesen Oberflächen Bauteile befestigt, wirkt auf diese eine Radialbeschleunigung und eine Radialkraft, die mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit ansteigen.
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Im Falle eines Versagens der verwendeten Befestigung der Bauteile werden diese radial von der Oberfläche des rotierenden Körpers weggeschleudert und können dabei schwere gesundheitliche und materielle Schäden verursachen.
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Im Stand der Technik der permanentmagneterregten elektrischen Maschinen mit schnell laufenden Rotoren (bei Rotordurchmessern größer 200 mm und Drehzahlen größer 2000 min-1), sind im Wesentlichen vier Maßnahmen bekannt, um die im Weiteren kurz als Magnete bezeichneten Permanentmagnete gegen die erheblichen Fliehkräfte zu sichern, die durch Radialbeschleunigungen von beispielsweise mehr als 5000 m/s2 auftreten:
- a) stoffschlüssige Befestigung mittels eines Klebers,
- b) kraftschlüssige Fixierung durch eine unmagnetische äußere Bandage,
- c) formschlüssige Befestigung durch „Vergraben“ der Magnete in einem Blechpaket,
- d) formschlüssige Befestigung durch mechanische Befestigungselemente
sowie beliebige Kombinationen der Maßnahmen a) bis d).
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Die erste Methode zeigt vor allem Nachteile durch die begrenzte Haltekraft von Klebstoffen bei erhöhten Temperaturen und gleichzeitig hoher Fliehkraftbeanspruchung, die letztendlich zu einem unkontrollierbarem Abheben der Magnete und einem Sicherheitsrisiko durch Ermüdung des Klebers führen können.
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Bei der zweiten Maßnahme ist eine Unzuverlässigkeit von Bandagen aus Kunstfasern oder eine zusätzliche Wirbelstromerwärmung von metallischen Bandagen zu verzeichnen und in jedem Fall eine Vergrößerung des magnetischen Spaltes zu einem Stator in Kauf zu nehmen.
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Bei der dritten Variante führt der magnetische Rückschluss in den magnetischen Bereichen oberhalb und zwischen den Magneten zu einer Leistungs- und Wirkungsgradminderung.
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Die vierte Variante weist zwar eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit auf und kommt zudem ohne einen vergrößerten magnetischen Spalt aus, vergrößert jedoch den Aufwand bei der Fertigung und Montage des Rotors, da die Magnete durch aufwendige mechanische Befestigungselemente am Rotor befestigt werden müssen.
Alle diese Probleme verstärken sich noch, wenn die Magnete unter beengten Platzverhältnissen befestigt werden müssen.
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Aus der
DE 10 2006 048 966 A1 ist ein Magnetmodul bekannt, bei dem mindestens ein Permanentmagnet auf einer Trägerplatte so befestigt ist, dass er sich zwischen der Trägerplatte und einer Kappe befindet. Die Kappe kann den wesentlichen Teil der auf den Permanentmagnet wirkenden Fliehkräfte aufnehmen. Die Verbindung zwischen Kappe und Trägerplatte erfolgt über nicht näher bezeichnete Verbindungselemente, während die Ableitung der aufgenommenen Fliehkräfte von der Trägerplatte hin zum Rotorkörper über Schraubverbindungen erfolgt, wodurch nachteilig lokale Belastungsspitzen im Bereich des in die Trägerplatte eingebrachten Gewindes, der Schraube sowie deren Sitz in dem Rotorkörper auftreten. Die Größe der beherrschbaren Fliehkräfte hängt daher wesentlich von der Gestaltung der Schraubverbindung ab.
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Ein weiteres Magnetmodul ist durch die
WO 2009/068736 A1 offenbart. Auch dort wird eine Trägerplatte mittels Schraubverbindung an dem Rotorkörper befestigt. Es ist hier jedoch angegeben, dass die Kappe mit der Trägerplatte ein Eingreifen der Kappe in eine Aussparung der Trägerplatte verbunden ist. Dazu wird ein Bereich der Kappe in die Aussparung hineingedrückt und dabei mindestens einmalig abgeknickt und plastisch verformt. Durch eine solche plastische Verformung der Kappe wird die Festigkeit des Materials an der Biegstelle nachteilig beeinträchtigt. Zusätzlich müssen an der mindestens einen durch plastische Verformung vorgeschwächten Knickstelle erhöhte Belastungen durch radial gerichtete Zugkräfte aufgenommen werden, da die Gesamtheit der Kräfte, mit denen sich der eingedrückte Bereich der Kappe an einer Schräge der Aussparung abstützt, zwischen der eingedrückten Bereich und einem radial gerichteten Deckbereich der Kappe zwangsläufig über die geschwächte Knickstelle geleitet sind.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagnetläufers für einen Elektromotor ist aus der
DE 39 38 007 A1 bekannt. Bei dem offenbarten Verfahren werden durch elastische Dehnung eines Zylinders und/oder eines Kerns eines Permanentmagnetläufers hinreichend große Restspannungen in dem Zylinder erzeugt, die einer Fixierung einzelner Segmente des Permanentmagnetläufers, nicht jedoch der Beherrschung von Fliehkräften, dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Befestigung von Magneten auf dem Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine unter beengten Platzverhältnissen vorzuschlagen, bei der die Magnete einfach und dauerhaft sowie auch bei hohen Temperaturen zuverlässig gegen mechanische, insbesondere durch die Fliehkraft verursachte Krafteinwirkungen gesichert und der Montageaufwand verringert wird.
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Um die nachfolgende Beschreibung zu vereinfachen, werden auch solche Richtungen und Flächen als radiale Richtungen bzw. radiale Flächen verstanden, die gegenüber einer Radialrichtung leicht geneigt sind. Dies betrifft insbesondere solche Körper, die auf einer stückweise abgeplatteten Zylinderoberfläche aufgebracht sind. Bei diesen weist streng genommen nur die im Berührungspunkt einer Tangentialebene liegende Axialschnittebene genau radial zur Rotorachse.
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Bei im Verhältnis zum Zylinderumfang kleinen Abmaßen der z.B. quaderförmigen Körper liegen die orthogonal zur Außenfläche jedes Körpers weisenden Seitenflächen in je einer Schnittebene nahe der Axialschnittebene. Gegenüber der Radialrichtung sind diese Schnittebenen nur leicht geneigt. Die Angabe „radial“ umfasst nachfolgend daher sowohl genau durch die Rotorachse verlaufende Richtungen als auch solche, die von diesen exakten Radialrichtungen nur um kleine Winkel abweichen.
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Die Aufgabe wird durch einen Rotor für eine schnell um eine Rotorachse drehende permanentmagneterregte elektrische Maschine mit einer Rotorwelle, an der ringförmig mindestens ein Magnetträger mit Magneten angeordnet ist, und einer, die jeweiligen Magnete sowohl radial nach außen als auch seitlich überdeckend und mit den jeweiligen Magneten starr in Verbindung stehenden unmagnetischen Kappen, dadurch gelöst, dass der mindestens eine Magnetträger aus weichmagnetischem Material besteht und axial entlang der Rotorachse verschiebbar ist, dass der mindestens eine Magnetträger an axial gegenüberliegenden Seitenflächen radial nach außen divergierende Bereiche aufweist, die Kappe Seitenlaschen mit radial nach außen konvergierender Wanddicke aufweist, wodurch in einem achsnahen Bereich jeder Seitenlasche eine Klemmschräge gebildet ist, die Kappen jeweils in axialer Richtung genau einen Magnet und in Richtung des Umfanges des Magnetträgers mindestens einen Magnet überdecken, die Seitenlaschen der Kappen so ausgebildet sind, dass der Magnetträger an seinen sich axial gegenüberliegenden Seiten in einer orthogonal zur Rotorachse aufgespannten Ebene großflächig überdeckt wird, mindestens zwei Klemmelemente als Anschläge vorhanden sind, zwischen denen die Seitenlaschen und die divergierenden Bereiche des Magnetträgers durch eine axial wirkende Kraft einer Spannschraube gegeneinander so geklemmt sind, dass die Seitenlaschen vermittels der Klemmschrägen um einen achsfernen Biegebereich der Seitenlasche elastisch gebogen und gegen die divergierenden Bereiche des Magnetträgers gepresst sind.
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Kern der Erfindung ist eine Lehre zur Gestaltung, Herstellung und Verwendung einer Kappe, mit der die Magnete sicher auf dem Magnetträger gehalten werden können, im Falle einer Beschädigung der Magnete die von sich abhebenden Trümmern ausgehende Gefahr weitestgehend gebannt wird und zugleich eine vorteilhafte technische Gestaltung eines Rotors ermöglicht wird.
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Die Rotorwelle kann als eine einfache zylindrische Welle ausgebildet sein, auf deren Umfang sich die weiteren Elemente des Rotors, wie Magnetträger, Magnete und Kappen befinden. Sie kann aber auch als Hohlwelle ausgebildet sein.
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Auf dem Umfang der Magnetträger sind Permanentmagnete aufgesetzt, die hinsichtlich ihrer Form und Größe speziell auf die Abmaße des Rotors ausgelegt oder aber standardisiert vorgeformt sein können. Letztere sind in der Regel quaderförmig und werden so ausgewählt, dass deren Ausdehnung in Umfangsrichtung im Verhältnis zum Umfang des Rotors gering ist. Die sich ergebende ringförmige Anordnung der Magnete kann dabei nahezu geschlossen oder unterbrochen sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn auch die radialen Seitenflächen der Magnete eines ringförmigen Magnetträgers durch seitliche Verlängerungen der Kappen überdeckt sind. Diese letztgenannten seitlichen Verlängerungen der Kappe verhindern das Abfliegen von Partikeln bei Magnetbruch oder -pulverisierung und dienen weiterhin der Versteifung des Deckbereiches. Der als Deckbereich bezeichnete Teil der Kappe weist vorzugsweise am Übergang zu den Seitenlaschen hin Ecken mit größerer Wanddicke (verstärkte Ecken) auf, wodurch ebenfalls die Biegesteifigkeit des Deckbereiches erhöht wird.
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Die radial nach innen zunehmende Wandstärke der Seitenlaschen bildet eine radial nach außen abnehmende Keilform der Seitenlaschen, deren Außenflächen als Klemmschrägen bezeichnet werden. Klemmschrägen können dabei im Profil der Seitenlasche in axialer Richtung sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch ausgebildet sein. Auf jeden Fall ist aber jede Klemmschräge so bemessen, dass sie im auf dem Magnetträger aufgesetzten Zustand durch eine ausreichend große koaxial gerichtete Kraft in einen form- und kraftschlüssigen Kontakt mit dem divergierenden Bereich des Magnetträgers gebracht werden kann.
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Die geringste Wanddicke (ausgedünnte Wandung) wird im Profil der Seitenlasche der Kappe in Radialrichtung nach außen vor den (vorzugsweise verstärkten) Ecken zum Deckbereich der Kappe erreicht und erlaubt im Rahmen der Elastizität des verwendeten Materials eine definierte, federnde Verformung dieses als Biegebereich bezeichneten Abschnittes der Seitenlasche.
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Überdeckt die Kappe mehrere Magnete, so ist günstigerweise in die Seitenlasche der Kappe eine Ausnehmung eingebracht, durch die in axialer Richtung liegende Teile der Klemmelemente geführt werden können.
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Die Kappe besteht zweckmäßig aus einem unmagnetischen Material mit einer Festigkeit von nicht weniger als 500 N /mm2, vorzugsweise von nicht weniger als 750 N /mm2. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das verwendete Material eine hohe Maßhaltigkeit bei gleichzeitig geringen Wanddicken erlaubt, wie es z.B. bei Titan der Fall ist.
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Die Kappe wird durch mindestens zwei Klemmelemente auf dem Magnetträger gehalten, die axial entlang des Rotors vorhanden sind. Durch Wirkung der Klemmelemente werden die Klemmschrägen der Kappen gegen die divergierenden Bereiche der Magnetträger formschlüssig geklemmt, wodurch die Kappen sowie die darin gehaltenen Magnete gegen ein radiales Abheben bei hohen Drehzahlen um die Rotorachse gesichert sind.
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Die Kappe verhindert vor allem ein Wegschleudern von gebrochenen Magneten oder pulverisierten Teilen davon. Selbst bei einer völligen Zerstörung des Magneten werden dessen Bestandteile sicher unter der Kappe gehalten. Zudem bietet die Kappe und ein möglicher Verguss der Magnete Schutz vor äußeren mechanischen und chemischen Belastungen. Die erfindungsgemäßen Kappen gewährleisten selbst bei hohen Drehzahlen des Rotors eine nur sehr geringe radiale Aufweitung des Magnetträgers. Es ist daher ein großer Vorteil der Erfindung, dass trotz hoher Drehzahlen ein geringer magnetischer Spalt eingehalten werden kann.
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Wird eine Mehrzahl von Magnetträgern axial angeordnet, so müssen diese mindestens soweit axial verschoben werden können, dass die Klemmschrägen benachbart angeordneter Kappen zueinander in Kontakt stehen, um sie - jedenfalls bei Aufbringen einer ausreichend großen axial gerichteten Kraft - form- und kraftschlüssig an den jeweiligen divergierenden Bereichen der Magnetträger zu pressen.
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Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, zwischen je zwei benachbarten Magnetträgern Zwischenringe einzusetzen. Damit ist auch eine um einen Rotationswinkel versetzte Anordnung der Magnetträger und der darauf mit Kappen gesicherten Magnete entlang des Umfanges des zylindrischen Elementes möglich. Dadurch lässt sich beispielsweise ein bestehendes Rastmoment verringern.
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In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung wird der Magnetring aus Magnetträger und mit Kappen gesicherten Magneten an einem Rotorflansch der Rotorwelle angesetzt. Über den Rotorflansch werden entlang der Rotorachse mindestens ein Magnetring sowie die Klemmelemente gestapelt. Es ist dann möglich, Magnetringe und mindestens ein Klemmelement entlang der Rotorachse anzuordnen und den Rotorflansch als ein weiteres Klemmelement zu nutzen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn weder Magnetträger noch Klemmelemente direkt auf der Rotorwelle aufsitzen. Dann werden der oder die Magnetträger mit den darauf sitzenden Magneten und Kappen zwischen dem mindestens einen Klemmelement und dem Rotorflansch gehalten. Eine solche Anordnung der Magnetträger als hohlwellenförmige Rotorwelle erlaubt die weitere Reduzierung der rotierenden Masse des Rotors.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine mit um die Rotorachse ringförmig angeordneten weichmagnetischen Magnetträgern, auf denen durch Kappen abgedeckte Magnete aufgesetzt sind, mit folgenden Schritten gelöst: Herstellen mindestens eines weichmagnetischen Ringes als Magnetträger mit an seinen Stirnseiten radial nach außen divergierenden Bereichen, Herstellen einer Vielzahl von Magneten aus ferromagnetischem Material, die angepasst an den Umfang des Magnetträgers vorgeformt werden, Herstellen von unmagnetischen Kappen zur Abdeckung der Magnete mittels eines Formgebungsverfahrens, bei dem den Kappen jeweils Seitenlaschen mit radial nach außen konvergierender Wanddicke zur Ausbildung von achsnahen Klemmschrägen angeformt werden, Aufsetzen der vorgeformten Magnete und Kappen auf den Magnetträger, Montage von Rotorwelle und mindestens einem Magnetträger mit aufgesetzten Magneten und Kappen, Verspannen der axial entlang des Rotors angeordneten Kappen und Magnetträger zwischen mindestens zwei Klemmelementen mittels einer Spannschraube derart, dass die Seitenlaschen der Kappen vermittels der Klemmschrägen um einen achsfernen Biegebereich der Seitenlaschen elastisch gebogen und gegen die divergierenden Bereiche des Magnetträgers gepresst werden.
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Die Anwendung eines Formgebungsverfahrens wie des Verfahrens des Feingusses erlaubt die präzise Fertigung der Kappen mit einer sehr hohen Präzision bei gleichzeitig geringen Wanddicken von nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise aber nicht mehr als 1 mm. Eine Vereinfachung beim Bau der für den Feinguss zu verwendenden Formen wird erreicht, wenn die Klemmschräge der Seitenlasche nur an der vom Magnetträger abgewandten Seite ausgebildet wird.
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Eine Fertigung der Kappe ist auch durch andere Formgebungsverfahren möglich (z.B. Pressen oder Tiefziehen).
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Bei dem Aufsetzen der Magnete auf die Magnetträger hat es sich als günstig erwiesen, diese mit dem Magnetträger zu verbinden, insbesondere zu verkleben. Diese Verklebung dient lediglich als Fixierung bei der Rotormontage, hat aber im Betriebszustand keine wesentliche Bedeutung für die auf die Magnete wirkenden Zugkräfte.
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Werden die Kappen über die mit Magneten bestückte Magnetträger gestülpt, bleiben zumeist unerwünschte Hohlräume z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen unter der Kappe erhalten. Es ist deshalb von Vorteil, die Innenseite der Kappe mit einem vorzugsweise pastösen, spaltfüllenden Medium, wie z.B. einem Harz oder Klebstoff, zu versehen, das nachträglich ausgehärtet wird. Es können jedoch auch gezielt Hohlräume durch Materialerhöhungen, wie Stempel oder Stege, im Deckbereich der Kappe oder der Oberfläche der Magneten vorgesehen werden, um eine definierte Schichtdicke des spaltfüllenden Mediums zu gewährleisten. Ein stoffschlüssiger Kontakt zwischen der radial nach außen gerichteten Oberfläche der Magneten und der Innenseite des Deckbereiches der Kappe wird im Betriebszustand durch Druckkräfte belastet, die durch das üblicherweise inkompressible spaltfüllende Medium großflächig und gleichmäßig auf den Deckbereich der Kappe übertragen werden können. Außerdem wird durch ein zumindest teilweises Umschließen des Magneten mit dem spaltfüllenden Medium die Gefahr ungewollter Masseverschiebungen z.B. bei Bruch des Magneten stark reduziert.
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Es können ebenfalls die Bereiche zwischen benachbart angeordneten Kappen außerhalb der Klemmschrägen mit einem spaltfüllenden, aushärtbaren Medium versehen werden.
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Die Magnete können unmagnetisiert auf dem Magnetträger aufgesetzt werden und am Ende des Fertigungsprozesses durch Einbringen der Magnetträger und/oder des Rotors in ein starkes Magnetfeld magnetisiert werden. Anschließend werden die mit spaltfüllendem, pastösen Medium versehene Kappen auf die Magnete aufgesetzt.
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Es ist aber ebenfalls möglich, bereits magnetisierte Magnete zu montieren. In diesem Fall können die Magnete zunächst, vorteilhaft zusammen mit spaltfüllendem, pastösen Medium, in die Kappen eingesetzt werden und dann der Verbund von Magnet und Kappe auf den Magnetträger montiert werden.
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Die komplett bestückten Magnetträger werden auf die Rotorwelle oder auf eine Montage-Hilfsvorrichtung aufgeschoben, in ihrer Lage zueinander ausgerichtet und gegen eine Verdrehung entlang des Umfangs gesichert. Gegebenenfalls wird nochmals spaltfüllendes, pastöses Medium in alle sich ergebenden Hohlräume außerhalb der Klemmschrägen eingebracht. Für die Montage wird nun der ganze Verbund in einer Presse eingespannt, wobei die Klemmschrägen gegen die divergierenden Bereiche der Magnetträger gedrückt werden. Alle Elemente des Verbundes werden dann durch die Klemmelemente fixiert, wobei vorteilhaft axiale Verschraubungen verwendet werden. Das spaltfüllende Medium wird anschließend ausgehärtet.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Rotor aus einzelnen Elemente mit gleichen Abmessungen (Standardteile) aufgebaut ist. Dadurch wird eine modulare Bauweise und eine Anpassung an die jeweiligen technischen Anforderungen erlaubt.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der sicheren Befestigung von Magneten auf einem Rotor durch hochfeste Kappen, die in axialer Richtung zwischen als Anschläge wirkenden Klemmelementen gegen vorhandene Magnetträger form- und kraftschlüssig geklemmt werden. Die bei der Drehung um die Rotorachse auf die Magnete wirkenden hohen, radial gerichteten Flieh-(Radialbeschleunigungskräfte) werden durch die Kappen auf die Magnetträger übertragen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine Befestigung von Permanentmagneten auf dem Rotor einer permanenterregten elektrischen Maschine unter beengten Platzverhältnissen zu realisieren, bei der die Magnete einfach und dauerhaft sowie auch bei hohen Temperaturen zuverlässig gegen mechanische, insbesondere durch Fliehkräfte verursachte Krafteinwirkungen gesichert und Montageaufwände verringert werden.
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Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und Zeichnungen wird die Erfindung näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Axialschnittebene eines Teilbereiches eines erfindungsgemäßen Rotors,
- 2 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Kappe,
- 3 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Kappe,
- 4 Ausführungsformen der Klemmschräge als Darstellung einer Schnittebene A-A: a) symmetrisch, b) axial asymmetrisch nach innen und c) axial asymmetrisch nach außen;
- 5 eine Axialschnittdarstellung eines Teilbereiches einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Rotors in verspanntem Zustand.
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Der Rotor besteht in seinem Grundaufbau gemäß 1 aus einer Rotorwelle 1 mit einer Rotorachse 2, einen auf ihrer radial nach außen weisenden Oberfläche angeordneten Magnetträger 3, einer Anzahl auf dem Magnetträger 3 aufgesetzter Magnete 4 (nur ein Magnet im Schnitt gezeigt), jeweils einer den Magneten 4 und den Magnetträger 3 auf drei Seiten einhausenden Kappe 5 mit axial gerichteten Seitenlaschen 53 sowie zwei axial beweglich angeordneten Klemmelementen 6.
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Die achsnahen Bereiche der in axialer Richtung weisenden Seitenflächen des Magnetträgers 3 divergieren nach radial außen und geben dem Magnetträger 3 in axialer Richtung einen gleichschenklig trapezförmigen Querschnitt. Durch die so erzeugten divergierenden Bereiche 31 des Magnetträgers 3, erreicht der Magnetträger 3 in seinem achsfernen Bereich eine größte koaxiale Ausdehnung, die nicht kleiner als die entsprechende Ausdehnung des aufzusetzenden Magnete 4 ist. Durch eine entsprechende axiale Verschiebung werden die Klemmelemente mit als achsnahe Klemmschrägen 55 ausgebildeten Bereichen der Seitenlaschen 53 in Berührung gebracht. Diese werden bei weiter erfolgender Krafteinwirkung in Richtung der Kraftseinwirkung elastisch verformt und mit den jeweiligen divergierenden Bereichen 31 in form- und kraftschlüssigen Kontakt gebracht. Dabei werden die Klemmschrägen 55 um einen achsfernen Biegebereich 54 der Seitenlasche 53 elastisch gebogen. Die als Anschläge wirkenden Klemmelemente 6 können durch eine resultierend axial gerichtete Kraft F axial und aufeinander zu verschoben werden. Bei hohen Drehzahlen des Rotors um die Rotorachse 2 werden die Magnete 4 durch die Kappe 5 an einem radialen Abheben gehindert. Insbesondere bei leistungsstarken elektrischen Maschinen mit großen Durchmessern, z.B. mit einem Rotordurchmesser von 300 mm, führen bereits relative geringe Drehzahlen von etwa 3000 min-1 zu hohen Radialbeschleunigungen, für deren Beherrschung die erfindungsgemäßen Kappen besonders geeignet sind.
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Der Magnetträger 3 wird aus weichmagnetischem Stahl hergestellt. In weiteren Ausführungen können jedoch auch Kobalt oder Nickel sowie deren Legierungen verwendet werden.
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Die Magnete 4 bestehen aus Sm2Co17, einem Sinterwerkstoff aus den chemischen Elementen Samarium und Kobalt. Dieser Werkstoff ist sehr spröde, erlaubt aber hohe Einsatztemperaturen und weist eine hohe Energiedichte auf. Der Nachteil der Sprödigkeit wird durch die erfindungsgemäße Verwendung der Kappe 5 beseitigt. Außerdem ist die Verwendung weiterer Werkstoffe möglich, die vorteilhafte magnetischen Eigenschaften besitzen und bei hohen Temperaturen einsetzbar sind.
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Die Kappe 5 weist gemäß 2 einem Deckbereich 51 auf, der an seinen Rändern verstärkte Ecken 52 besitzt und in die Seitenlaschen 53 und die seitlichen Verstärkungen 57 übergeht. Die Wanddicke der Seitenlaschen 53 nimmt von einem achsnah befindlichen Bereich, der Klemmschräge 55, hin zu einem achsfernen Bereich, dem Biegebereich 54, ab.
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Wird die Kappe 5 gemäß 3 für eine Überdeckung mehrerer Magnete 4 ausgelegt, so befindet sich zwischen jedem der einen Magnet 4 überdeckenden Bereiche der Kappe 5 eine weitere, mittlere Verstärkung 58. Zudem befindet sich mittig in den Seitenlaschen 53 eine Ausnehmung 56 zur Durchführung von Befestigungselementen. Die angegebene Schnittebene A-A verläuft in einer axialen und dabei radialen Ebene. Sie liegt parallel der Ebene der Ansicht der in Umfangsrichtung weisenden Seitenflächen der Kappe 5.
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Die mittlere Verstärkung 58 kann aber auch weggelassen werden, wenn die tangentiale Abmessung der Magnete 4 nicht wesentlich von der axialen Abmessung abweicht.
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Gemäß 4 können die Klemmschrägen 55 an den Seitenlaschen 53 der Kappen 5 verschiedenartig gestaltet sein. Dargestellt sind Schnitte in der A-A-Schnittebene gemäß 3. Die Klemmschrägen 55 können gemäß 4a symmetrisch ausgebildet sein, wodurch eine große Klemmwirkung bei gleichzeitig dünner Wanddicke der Kappe 5 erreicht wird. Weiterhin können die Klemmschrägen 55 asymmetrisch in den Innenraum der Kappe 5 gemäß 4b ausgeformt sein (beste Anpassung als Komplementärform zum divergierenden Bereich 31 des Magnetträgers 3) oder aber gemäß 4c asymmetrisch nach axial außen angeformt sein (einfachste Herstellungsform im Feingussverfahren).
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Die 5 zeigt im Axialschnitt eine Ausführung eines mehrreihigen Rotors, bei der zwei montierte Magnetträger 3 mit Kappen 5 und ein Klemmring 61 über einem Rotorflansch 7 aufgestapelt sind. Der Rotorflansch 7 ist symmetrisch um die Rotorachse 2 angeordnet, und weist konzentrisch angeordnete Gewindebohrungen 8 (nur eine dargestellt) auf. Die Rotorwelle 1 ragt axial nur eine Strecke in Richtung Magnetträger 3 über den Rotorflansch 7 hinaus, wobei die Rotorwelle 1 an ihrem stirnseitigen Außendurchmesser in eine achsnahe Aussparung 12 des dem Rotorflansch 7 anliegendem Magnetträgers 3 eingreifend ausgebildet ist. Die über dem Rotorflansch 7 aufgestapelten zwei montierten Magnetträger 3 mit Kappen 5 und der Klemmring 61 bilden über dem Rotorflansch 7 eine Hohlwelle. Auf dem Umfang der Magnetträger 3 sind in dafür vorgesehene Abflachungen vorgeformte Magnete 4 aufgesetzt und mittels eines Klebers 9 auf dem Magnetträger 3 fixiert. Über jedem Magnet 4 befindet sich eine Kappe 5, deren Deckbereich 51 mit Stempeln 59 versehen ist und sowohl die gesamte radial nach außen gerichtete Fläche des Magnets 4 als auch die beiden in axialer Richtung befindlichen Seiten des Magnets 4 großflächig überdeckt. Die Seitenlaschen 53 reichen über die divergierenden Bereiche 31 des Magnetträgers 3 hinweg. Der Rotorflansch 7 und ein axial verschiebbarer Klemmring 61 stehen jeweils von axial außen mit den achsnahen Bereichen der Seitenlaschen 53 in Kontakt und können mittels einer koaxial angeordneten Spannschraube 62 mit einer resultierend axial gerichteten Kraft F beaufschlagt und gegen den Magnetträger 3 gedrückt werden. Klemmring 61 und Magnetträger 3 weisen jeweils an ihren Stirnseiten Durchgangsbohrungen 10, die Kappen 5 Ausnehmungen 56 in ihren Seitenlaschen 53 auf, durch welche die Spannschraube 62 den Verbund von Klemmring 61, Seitenlaschen 53, Magnetträgern 3 bis hin zu den Gewindebohrungen 8 des Rotorflansches 7 durchdringen kann. Über den stirnseitigen Umfang des Klemmringes 61 sind eine Anzahl von Spannschrauben 62 angeordnet (nur eine dargestellt), durch die jeweils eine axial angeordnete Reihe von Kappen 5 zwischen Klemmring 61 und Rotorflansch 7 geklemmt wird. Jede Spannschraube 62 weist an ihrem vorderen Ende ein zu den Gewindebohrungen 8 passendes Außengewinde 621 auf. Der Rotorflansch 7 und der Klemmring 61 wirken dabei als Anschläge für die zwischen ihnen geklemmten Seitenlaschen 53 und Magnetträger 3.
Die Zentrierung der einzelnen Magnetträger 3 erfolgt durch achsnahe, konzentrisch angeordnete Vorsprünge 11 an jeweils einer Stirnseite der Magnetträger 3 sowie durch komplementär zu den Vorsprüngen 11 gestalteten Aussparungen 12 an dem benachbart angeordneten Magnetträger 3. Die Zentrierung der aufgestapelten Magnetträger 3 zum Rotorflansch 1 erfolgt über den stirnseitigen Außendurchmesser der Rotorwelle 1.
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Rotoren können in Axialrichtung prinzipiell auch aus mehr als zwei Magnetträgern 3 aufgebaut werden (mehrreihige Rotoren) und ermöglichen so die schnelle und einfache anwendungsspezifische Herstellung von Rotoren aus Standardbaugruppen.
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In Abwandlung der Darstellung gemäß 5 können die Klemmelemente 6 auch zwei Klemmringe 61 mit Durchgangsbohrungen 10 sein, wobei die Spannschraube 62 dann mit einer Spanmutter versehen ist. Weiterhin kann 5 dadurch modifiziert werden, dass einer der beiden Klemmringe 61 Gewindebohrungen 8 aufweist und auf eine Spannmutter verzichtet werden kann.
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Die Magnete 4 werden als vorgeformte Standardteile ebenfalls durch bekannte Verfahren wie das Sintern geeigneter Werkstoffgemische hergestellt.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Magnete 4 auf dem weichmagnetischen Magnetträger 3 montiert und anschließend der fertig montierte Magnetträger 3 in ein starkes Magnetfeld gebracht. Weiterhin ist es möglich, die Magnete 4 im bereits magnetisierten Zustand zu montieren oder aber den gesamten Rotor abschließend in ein starkes Magnetfeld zu bringen.
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Für die Herstellung der Kappe 5 wird als Werkstoff ein hochfestes Metall, wie z.B. Titan oder Titanlegierungen, eingesetzt, das sich mit dem Feingussverfahren in sehr präziser und bekannter Weise zu einem komplexen Bauteil verarbeiten lässt. Das für das Feingussverfahren benötigte Modell der Kappe 5 wird so gestaltet, dass sich die anzugießende Klemmschräge 55 im montierten Zustand nur nach axial außen ausdehnt und axial innen gerade verläuft. Dadurch lässt sich das Modell einfacher und kostengünstiger herstellen. Die Wanddicke der zu gießenden Kappe 5 beträgt im Deckbereich 51 und Biegebereich 54 etwa 1 - 2 mm. Die Wandungen in den verstärkten Ecken 52 und der Klemmschräge 55 der Seitenlaschen 53 werden stärker ausgeführt. Die konkreten Maße richten sich dabei nach den zu erwartenden Belastungen und den anhand von Modellberechnungen wie z.B. der FEM (Finite Elemente Methode) gewonnenen Werten. Beispielhaft sei erwähnt, dass Modellberechnungen für die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Materialdicken eine maximale radiale Durchbiegung des Deckbereiches von weniger als 0,1 mm bei einem vierfach gebrochenen Magneten und weniger als 0,2 mm bei einem pulverisierten Magneten ergaben (Rotordurchmesser: 300 mm, Drehzahl: 3000 min-1).
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In einem Verfahren zur Herstellung des Rotors mit einem Rotorflansch 7 gemäß 5 wird der Magnetträger 3 - nachdem er mit den aufgesetzten Magneten 4 in ein starkes Magnetfeld gebracht wurde, um die gewünschte Magnetisierung zu erzeugen - und ein Klemmring 61 über dem Rotorflansch 7 und symmetrisch zur Rotorachse 2 aufgestapelt. Die Kappen 5 werden auf die zuvor (nur für Montagezwecke) aufgeklebten Magneten 4 so aufgesetzt, dass die jeweiligen Seitenlaschen 51 der Kappen 5 einerseits zwischen Rotorflansch 7 und Magnetträger 3 und zwischen Klemmering 61 und Magnetträger 3 eingeschoben sind. In die Kappen 5 wird vor ihrer Montage ein aushärtbares, pastöses und spaltfüllendes Medium wie ein Kleber 9 gegeben.
In die sich ergebenden Hohlräume außerhalb der Klemmschrägen zwischen den entlang der Rotorachse 2 angeordneten Elementen, wird nach erfolgter Montage der Kappen 5 und Magnetträger 3 ebenfalls ein Kleber 9 eingefüllt.
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Nachdem Magnetträger 3 und Kappen 5 zueinander ausgerichtet worden sind, wird der Verbund von Rotorflansch 7 bis Klemmring 61 in einer Presse eingespannt. In den Stirnseiten des Klemmringes 61 und der Magnetträger 3 sind korrespondierend zu den Gewindebohrungen 8 des Rotorflansches 7 eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 10, in den Seitenlaschen 53 entsprechende Ausnehmungen 56, vorhanden, durch die jeweils eine Spannschraube 62 geführt wird.
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Der Verbund wird mittels der Spannschrauben 62 gleichmäßig verspannt. Anschließend wird der Kleber 9 durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in einem einfachen, modularen Aufbau des Rotors unter Verwendung von Standardteilen und einer automatisierbaren Montage. Die verwendeten Kappen 5 gewährleisten den Schutz gegen das Abheben von beschädigten oder gar zerstörten Magneten 4 selbst bei sehr hohen Drehzahlen und Radialbeschleunigungen sowie bei Temperaturen von mehr als 160 °C.
