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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Rotorelement für einen Elektromotor sowie einen Elektromotor mit einem solchen Rotorelement. Die Anmeldung betrifft ferner ein Verfahren zum Fertigen eines Rotorelements.
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STAND DER TECHNIK
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Elektromotoren, wie sie beispielsweise für Elektro- oder Hybridantriebe eingesetzt werden, müssen aufgrund hoher Drehzahlen häufig starken Kräften standhalten. Magneten eines Rotors müssen hierbei in zuverlässiger Weise an einem Rotorgrundkörper fixiert werden. Eine herkömmliche Fixierung von Magneten an einem äußeren Umfang des Rotorgrundkörper, beispielsweise durch Ankleben oder Halten mit Hilfe einer Bandagierung, kann bei hohen Drehzahlen den auftretenden Zentrifugalkräften nicht zuverlässig standhalten. Daher wurden sogenannte vergrabene Magneten entwickelt, bei denen die an dem Rotorgrundkörper zu fixierenden Magneten in Kammern innerhalb des Rotorgrundkörpers gehalten sind.
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Um die Magneten innerhalb der Kammern zu fixieren, werden diese herkömmlich meist mit einem Klebemittel oder einer Imprägnierung in der Kammer gehalten. Das Klebemittel bzw. die Imprägnierung kann zusammen mit dem Magneten bzw. einem magnetisierbaren Körper in die Kammer eingebracht werden, wobei sich das Klebemittel bzw. die Imprägnierung bei Erwärmung von außen und Änderung der Viskosität in der Kammer möglichst gleichmäßig verteilt und den Magneten teilweise oder ganz umschließt. Nach dem Aushärten des Klebemittels bzw. der Imprägnierung ist der Magnet in der Kammer fixiert.
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Das Einbringen von Klebemittel bzw. Imprägnierharz kann jedoch einen erheblichen Arbeitsaufwand mit sich bringen und erfordert sehr sorgfältiges Arbeiten. Das Einbringen des Klebemittels bzw. des Imprägnierharzes muss genau überwacht werden. Ferner muss für ein Aushärten des Klebemittels bzw. Imprägnierharzes meist ein Ofenzyklus nachgeschaltet werden. Um eine sichere Fixierung der Magneten innerhalb der Kammern zu gewährleisten, kann es notwendig sein, jeweils nur Rotorelemente mit einer Breite von beispielweise bis zu 20 mm herzustellen und Magnete gleicher Breite in die Kammern des Rotorelements einzukleben. Anschließend können mehrere Rotorelemente durch Aufpressen auf eine gemeinsame Welle zu einem kompletten Rotor zusammengefügt werden. Je nach Länge des Rotors können beispielsweise 3–10 Rotorelemente zusammengefügt werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es kann ein Bedarf dafür bestehen, ein Rotorelement für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, bei dem Magnete in einfacher Weise zuverlässig fixiert werden können. Ferner kann ein Bedarf an einem Elektromotor mit einem solchen Rotorelement und an einem Verfahren zum Fertigen eines solchen Rotorelementes bestehen.
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Ein solcher Bedarf kann mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotorelement für einen Elektromotor vorgeschlagen, das eine kreisförmige Scheibe, eine Mehrzahl von Kammern entlang eines Umfangs der kreisförmigen Scheibe, eine Mehrzahl von Magneten und eine Mehrzahl von Elastomerelementen aufweist. Die Magnete sind in den Kammern aufgenommen. Am Rand einer Kammer ist jeweils wenigstens eine Nut ausgebildet. Die Elastomerelemente sind derart in den Nuten aufgenommen, dass sie jeweils in den Kammern aufgenommene Magnete kontaktieren und aufgrund ihrer Elastizität Druck auf die Magnete ausüben, um so die Magnete in den Kammern zu fixieren.
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Ein solches Rotorelement kann in einem Elektromotor eingesetzt werden.
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Um ein solches Rotorelement zu fertigen, kann zunächst ein Elastomerelement in eine Nut angrenzend an eine Kammer eingebracht werden und anschließend das Elastomerelement entlang einer Richtung orthogonal zu der Scheibe gespannt werden. Durch das Spannen wird das Elastomerelement in der Richtung orthogonal zu der Scheibe gedehnt und der Querschnitt in einer Richtung quer hierzu nimmt ab. Anschließend kann ein magnetisierbarer Körper in die Kammer eingebracht werden. Schließlich wird das Elastomerelement entspannt, wodurch sein Querschnitt wieder zunimmt und es bei geeigneter Dimensionierung der Nut und des Elastomerelementes selbst in Kontakt mit dem in der Kammer aufgenommenen magnetisierbaren Körper kommt und diesen durch den ausgeübten Druck in der Kammer fixiert.
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Ein den vorangehend geschilderten Aspekten zugrunde liegender Erfindungsgedanke kann darin gesehen werden, dass in einem Rotorelement für einen Elektromotor die Magnete in Kammern aufgenommen werden als sogenannte vergrabene Magnete. Die Magnete werden hierbei nicht wie bei herkömmlichen Verfahren in die Kammern eingeklebt, sondern mit Hilfe eines Elastomerelementes in den Kammern verklemmt. Das Elastomerelement kann dabei derart in einer am Rand einer Kammer vorgesehenen Nut aufgenommen sein, dass es im entspannten Zustand in die Kammer hineinragen würde. Das heißt, wenn die Kammer mit einem darin aufgenommenen Magneten gefüllt ist, drückt das entspannte Elastomerelement auf den Magneten und verklemmt diesen somit innerhalb der Kammer.
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Um die Magnete bzw. um entsprechende Körper, die nachträglich magnetisiert werden können, in die Kammern einbringen zu können, wird zunächst das Elastomerelement in die an die Kammer angrenzende Nut eingelegt. Dann werden die beiden Enden des Elastomerelementes, die über die kreisförmige Scheibe des Rotorelementes hinausragen können, gegriffen und das Elastomerelement durch Ziehen an den beiden Enden gespannt, so dass sich einerseits seine Länge vergrößert und andererseits sich sein Querschnitt verkleinert. Aufgrund des verkleinerten Querschnitts ragt das Elastomerelement somit während dieses Einbauvorgangs nicht mehr in den von dem magnetisierbaren Körper einzunehmenden Raum innerhalb der Kammer hinein. Der magnetisierbare Körper kann somit problemlos in die Kammer eingebracht werden. Anschließend wird der Zug an den Enden des Elastomerelementes verringert, so dass sich der Querschnitt des Elastomerelementes wieder vergrößern kann und das Elastomerelement dann auf seitliche Oberflächen des zuvor eingebrachten magnetisierbaren Körpers drücken kann. Auf diese Weise wird der magnetisierbare Körper in der Kammer verklemmt und somit fixiert.
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Anschließend kann der magnetisierbare Körper in einem starken Magnetfeld magnetisiert werden und somit zum Dauermagneten werden.
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Das auf diese Weise gefertigte Rotorelement kann in einen Elektromotor eingebaut werden. Dabei können z. B. mehrere scheibenförmige Rotorelemente hintereinander auf einer Welle angeordnet werden. Vorzugsweise werden dabei die Rotorelemente derart angrenzend aneinander angeordnet, dass deren Nuten fluchten und ein gemeinsames Elastomerelement in einer fluchtenden Nut mehrerer Rotorelemente angeordnet ist, um Magnete in Kammern benachbarter Rotorelemente zu fixieren. Die Kammern der hintereinander angeordneten Rotorelemente können dabei ebenfalls fluchten, so dass in der entstehenden Gesamtkammer eine Vielzahl kleiner Magnete bzw. magnetisierbarer Körper in einer Richtung orthogonal zu den scheibenförmigen Rotorelementen, d. h. parallel zu der Welle, hintereinander in der Gesamtkammer eingebracht werden können und mit Hilfe eines einzigen Elastormerelementes in der Gesamtkammer fixiert werden können.
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Mit Hilfe des beschriebenen Fertigungsverfahrens beziehungsweise dem auf diese Weise gefertigten Rotorelement lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen erreichen: Das Fertigungsverfahren erlaubt ein einfaches und kostengünstiges Fertigen eines Rotorelementes. Es braucht kein aufwendiger, schwer zu beherrschender Klebeprozess durchgeführt und überwacht werden. Auch ein Aushärtevorgang von eingebrachtem Klebemittel, beispielsweise mit Unterstützung eines Ofenzyklus, kann entfallen. Ferner fällt das Risiko, dass bei einem solchen Einklebeprozess eine unzureichende Benetzung von Magneten mit Klebemittel auftritt, weg. Stattdessen können die Magnete in einfacher und zuverlässiger Weise durch das Einbringen des Elastomerelementes, das anschließende Spannen des Elastomerelementes vor dem Einbringen der magnetisierbaren Körper in die Kammer und das anschließende Entspannen der Elastomerelemente in den Kammern fixiert werden.
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Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Elastomerelemente kann eine zuverlässigere Fixierung innerhalb eines weiten Temperaturbereichs von beispielsweise –40 bis +180°C erreicht werden.
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Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Rotorelementes bzw. seines Herstellungsverfahrens kann darin liegen, dass die vorgenommene Fixierung reversibel ist. Dadurch kann beispielsweise bei Ausschuss in der Fertigung ein Großteil des eingesetzten Materials wiederverwendet werden, da zum Aufheben der Fixierung der magnetisierbaren Körper innerhalb der Kammern lediglich das Elastomerelement erneut gespannt zu werden braucht, um die Verklemmung der magnetisierbaren Körper in den Kammern aufzuheben und diese somit entfernen zu können. Bei herkömmlich in den Kammern verklebten Magneten ist eine solche Wiederverwendung von Komponenten des Rotorelementes nicht möglich.
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Es können ferner mehrere Rotorelemente hineinander angeordnet werden und die Magnete in den fluchtenden Kammern darin mit Hilfe eines einzigen Elastomerelementes fixiert werden, was wiederum den Zusammenbauvorgang vereinfachen kann.
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Der Querschnitt eines Elastomerelementes kann dem Querschnitt der Nut, in die es eingebracht werden soll, angepasst sein. Mit anderen Worten kann der Querschnitt des Elastomerelementes derart gewählt sein, dass das Elastomerelement im entspannten Zustand den Querschnitt der Nut im Wesentlichen komplett ausfüllt. Dadurch kann erreicht werden, dass das Elastomerelement sich durch eine flächige Anlage an den Flanken bzw. dem Boden der Nut abstützen kann. Im fertig montierten Zustand des Rotorelementes kann somit eine gute Kraftübertragung von der formstabilen kreisförmigen Scheibe des Rotorelementes über das Elastomerelement auf den in der Kammer aufgenommenen Magneten bzw. magnetisierbaren Körper erfolgen. Durch das flächige Anliegen des Elastomerelementes in der Nut kann auch vermieden werden, dass sich das Elastomerelement unter Belastung übermäßig verformt, sich beispielsweise in freiliegende Hohlräume hineinpresst, und es somit zu Materialermüdungen kommen kann.
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Beispielsweise können die Nuten teilkreisförmige Querschnitte aufweisen und die Elastomerelemente als längliche Schnüre mit teilkreisförmigem oder kreisförmigem Querschnitte ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann ein Elastomerelement beispielsweise als Rundschnur ausgebildet sein. Die Rundschnur kann mit ihrem unteren Bereich, beispielsweise ihrer unteren Hälfte, in die teilkreisförmige Nut bzw. die halbkreisförmige Nut eingelegt werden. Der obere Bereich bzw. die obere Hälfte der Rundschnur ragt dabei im entspannten Zustand über die Nut hinaus. Vorzugsweise sind die Radien der Nut und der Rundschnur im Wesentlichen gleich. Wenn die Rundschnur durch Ziehen an deren Enden gespannt wird, verringert sich ihr Radius, so dass sie weniger bzw. gar nicht über die Nut hinausragt und der magnetisierbare Körper bzw. der Magnet in die daran angrenzende Kammer eingeführt werden kann. Beim Entspannen der Rundschnur versucht diese, ihren ursprünglichen Radius wieder einzunehmen und drückt daher aufgrund ihrer Elastizität gegen den magnetisierbaren Körper bzw. Magneten und verspannt diesen in der Kammer. Die Rundschnur kann vorteilhaft auf einer Spule aufgewickelt bereitgestellt werden und erst während der Fertigung des Rotorelements von dieser Spule abgerollt und auf die passende Länge zugeschnitten werden.
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Alternativ kann das Elastomerelement auch als Schnur mit anderen Querschnitten, beispielsweise als Rechteckschnur oder als Vielkantschnur ausgebildet sein. Auch die Anzahl der Elastomerelemente bzw. Schnüre pro Kammer kann variiert werden.
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Die Elastomerelemente können mit Fluorkautschuk ausgebildet sein. Dieses Material ist auch als FKM bekannt. Es weist Vinyliden(di)fluorid (VDF) als Monomer auf. Fluorkautschuk kann eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien und einen breiten Temperatureinsatzbereich haben, was ihn besonders geeignet für eine Anwendung in Rotorelementen für Elektromotoren erscheinen lässt.
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Die Elastomerelemente können ferner mit einem Material mit einer ShoreA-Härte von zwischen 40 und 70 ausgebildet sein. Elastomerelemente mit einer derartigen ShoreA-Härte haben sich als vorteilhaft für den Einsatz in Rotorelementen für Elektromotoren erwiesen.
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Da ein Verklemmen der Magnete innerhalb der Kammern nun weitgehend unabhängig von der Größe der Magnete ist, können mehrere Magnete hintereinander in einer Richtung orthogonal zu der Scheibe in einer Kammer aufgenommen und in dieser mit Hilfe eines Elastomerelementes verklemmt werden. Dadurch kann ein Arbeits- und Materialaufwand zur Fixierung der Magnete innerhalb der Kammern weiter verringert werden.
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Mögliche Aspekte, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wurden vorangehend mit Bezug auf einzelne Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere mit Bezug auf erfindungsgemäße Rotorelemente oder erfindungsgemäße Fertigungsverfahren für solche Rotorelemente, beschrieben. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine Mehrzahl von Rotorelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Fertigungsverfahrens für ein Rotorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Die in den Figuren dargestellten und im Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und sollen nicht einschränkend ausgelegt werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Mehrzahl von Rotorelementen 1, die hintereinander angeordnet werden, um einen Gesamtrotor 10 für einen Elektromotor zu bilden.
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Jedes der Rotorelemente 1 weist eine kreisförmige Scheibe 3 auf. Die Scheibe 3 besteht aus einer Vielzahl von Lamellen aus in Form gestanzten Trafoblechen. Jede der Lamellen ist etwa 0,3–0,5 mm dick. Herkömmlich werden etwa 20–80 solcher Lamellen gestapelt und zu einer Scheibe 3 stanzpaketiert. Mit Hilfe des hierin vorgeschlagenen Fertigungsverfahrens können aber auch dickere Scheiben 3 mit mehr Lamellen verarbeitet werden. Der lamellenartige Aufbau aus einer Vielzahl von Blechen kann im späteren Rotorelement eine Ausrichtung des magnetischen Feldes begünstigen.
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Im Zentrum der Scheiben 3 befindet sich eine Aussparung 5, in die eine Welle des Rotors eingepresst werden kann. Entlang des Umfangs der kreisförmigen Scheibe 3 ist eine Mehrzahl von Kammern 7 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel sind acht solche Kammern vorgesehen. Jede der Kammern hat einen Querschnitt, der dazu ausgelegt ist, einen quaderförmigen Magneten darin aufzunehmen, und geht in einer Richtung orthogonal zu der Scheibe 3 komplett durch die Scheibe hindurch.
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In die Kammern 7 können magnetisierbare Körper 9, die nach ihrer Magnetisierung als Magnete 11 dienen, eingebracht werden. Die magnetisierbaren Körper 9 können beispielsweise aus NeodymEisenBor (NdFeB) bestehen. Die magnetisierbaren Körper 9 sind im vorliegenden Beispiel quaderförmig und weisen einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt der Kammern 7 im Wesentlichen entspricht.
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Am Rande jeder der Kammern 7 ist eine im Querschnitt halbkreisförmige Nut 13 ausgebildet. Die Nut 13 kann alternativ auch mit anderen Konturen abhängig vom Querschnitt des Elastomerelements ausgebildet sein. Die Nut 13 geht ebenso wie die Kammer 7 in einer Richtung orthogonal zu der Scheibe 3 komplett durch die Scheibe 3 hindurch.
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In jede der Nuten 13 kann eine als Elastomerelement 15 dienende, im Querschnitt beispielsweise kreisförmige Rundschnur 17 aus Fluorkautschuk eingelegt sein. Der Durchmesser der Rundschnur 17 entspricht dem Durchmesser der Nut 13. Ohne in die Kammern 7 eingelegte magnetisierbare Körper 9 würde die Rundschnur 17 mit ihrer oberen Hälfte in die Kammer 7 hineinragen. Im fertig zusammengebauten Zustand, in dem magnetisierbare Körper 9 in den Kammern 7 aufgenommen sind, drückt die elastische Rundschnur 17 von innen gegen die magnetisierbaren Körper 9 und presst diese nach außen gegen den dort befindlichen Rand der Scheibe 3. Durch diesen Druck wird der magnetisierbare Körper 9 innerhalb der Kammer 7 verklemmt und somit fixiert.
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Mit Bezug auf 2 wird ein Verfahren zum Fertigen eines Rotorelementes 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 101.
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In einem Schritt 103 wird eine kreisförmige Scheibe mit darin ausgebildeten Kammern und Nuten, wie sie oben beschrieben wurde, bereitgestellt.
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Anschließend wird in einem Schritt 105 eine Mehrzahl von elastischen Rundschnüren als Elastomerelemente in jeweilige Nuten in der kreisförmigen Scheibe eingebracht.
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Um einen Querschnitt der Rundschnüre zeitweilig zu reduzieren und damit zu vermeiden, dass die Rundschnüre von der Nut weit in die jeweilige Kammer ragen, werden in einem Schritt 107 die Rundschnüre an beiden Enden gegriffen und entlang einer Richtung orthogonal zu der Scheibe gespannt.
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In einem solchen gespannten, im Querschnitt verringerten Zustand der Rundschnüre können magnetisierbare Körper problemlos in die Kammern während eines Schrittes 109 eingeschoben werden. Es kann dabei jeweils ein magnetisierbarer Körper in eine Kammer eingeschoben werden oder, alternativ, können auch mehrere magnetisierbare Körper in eine gemeinsame Kammer eingeschoben werden. Als weitere Alternative können gleichzeitig mehrere Scheiben hintereinander und fluchtend angeordnet werden und die Rundschnur durch die fluchtenden Nuten der mehreren Kammern verlegt werden, so dass ein oder mehrere magnetisierbare Körper in die hintereinander fluchtend angeordneten Kammern der mehreren Scheiben eingebracht werden können.
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Letztendlich können in einem Schritt 111 die Rundschnüre entspannt werden. Diese versuchen daraufhin ihre ursprüngliche Form wieder einzunehmen und sich auf ihren ursprünglichen Querschnitt auszudehnen. Dabei kommen sie in Kontakt mit den in den Kammern befindlichen magnetisierbaren Körpern und pressen diese fest gegen eine gegenüberliegende Berandung der Kammern.
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Mit den auf diese Weise fixierten magnetisierbaren Körpern kann das Rotorelement anschließend einem Magnetisierungsschritt 113 unterzogen werden, in dem die magnetisierbaren Körper in einem starken Magnetfeld magnetisiert werden und somit zu Dauermagneten werden.
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Das mit dem Schritt 115 fertig gestellte Rotorelement kann ohne großen Arbeits- und Kostenaufwand gefertigt werden und die Magnete können in der Scheibe in zuverlässiger und reversibler Weise verklemmt werden.
