-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine.
-
Unter elektrischen Maschinen sind insbesondere Elektromotoren, Generatoren sowie Transversalflussmaschinen zu verstehen. Es sind diverse Bauarten von elektrischen Maschinen, insbesondere von permanentmagneterregten elektrischen Maschinen vorbekannt. Der bewegliche Teil der elektrischen Maschinen wird stets als ”Rotor” oder in Verbindung mit Transversalflussmaschinen auch als ”Läufer” bezeichnet. In diesem Rotor oder Läufer werden Permanentmagneten oder sogenannte ”Flussleitsteine” eingesetzt. Die Flussleitsteine werden auch als ”Magnetfeldleiter” bezeichnet und dienen zum Leiten und Führen des magnetischen Flusses im Rotor bzw. Läufer. Bei herkömmlichen Anordnungen werden die Permanentmagneten oder die Magnetfeldleiter während des Montageprozesses in den Rotor bzw. Läufer montiert.
-
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine elektrische Maschine anzugeben, die kostengünstig und sehr präzise hergestellt werden kann. Des Weiteren ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine anzugeben.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben jeweils vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
-
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, eines Generators oder einer Transversalflussmaschine, umfassend die folgenden Schritte in gegebener Reihenfolge:
- (i) Bereitstellen eines Rotors oder einer Rotorkomponente mit zumindest einem Aufnahmeraum für einen Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter.
- (ii) Einsetzen eines Ausgangsmaterials in den Aufnahmeraum,
- (iii) Ausrichten des Ausgangsmaterials in einem Magnetfeld vor und/oder während dem Sintern, insbesondere werden dabei die magnetischen Momente der anisotropen Pulverteilchen des Ausgangsmaterials ausgerichtet, und
- (iii) Sintern des Ausgangsmaterials innerhalb des Aufnahmeraums zu dem Permanentmagneten oder zu dem Magnetfeldleiter.
-
Das Verfahren kommt insbesondere zur Anwendung für Permanentmagnete in elektrischen Maschinen. Des Weiteren kommt das Verfahren besonders bevorzugt zur Herstellung von Elektromotoren, insbesondere Hybrid-Elektromotoren für Fahrzeuge, zur Anwendung. Die Rotorkomponente ist ein Bestandteil des Rotors. Insbesondere wird der Rotor aus mehreren einzelnen Rotorkomponenten mit jeweils zumindest einem Aufnahmeraum für Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter zusammengesetzt. Unter dem Rotor ist erfindungsgemäß auch der Läufer einer Transversalflussmaschine zu verstehen. Als Ausgangsmaterial wird ein Material, insbesondere in Pulverform, gewählt, das nach dem Sintern elektrisch leitend ist und entweder als Magnetfeldleiter dient oder magnetisiert werden kann. Nach dem Sintern entsteht in dem Aufnahmeraum der Permanentmagnet bzw. der Magnetfeldleiter. Sowohl der Permanentmagnet als auch der Magnetfeldleiter sind feste, einteilige Körper. Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist, dass der Permanentmagnet oder Magnetfeldleiter nicht mehr außerhalb des Rotors bzw. der Rotorkomponente hergestellt wird und sodann in den Aufnahmeraum eingesetzt werden muss. Vielmehr entsteht der Permanentmagnet oder der Magnetfeldleiter im Inneren des Rotors. Dadurch passt der Permanentmagnet bzw. der Magnetfeldleiter mit seinen Maßen exakt in den Aufnahmeraum und es entsteht kein Luftspalt zwischen dem Permanentmagnet oder dem Magnetfeldleiter und dem Rotor bzw. der Rotorkomponente. Durch Vermeidung dieses Luftspaltes vereinfacht sich die elektromagnetische Auslegung der elektrischen Maschine. Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren annähernd uneingeschränkte Designmöglichkeiten für den Permanentmagneten bzw. die Magnetfeldleiter durch Ausgestaltung des Aufnahmeraums.
-
Bevorzugt erfolgt das Sintern mittels Belastung des Ausgangsmaterials mit elektrischem Strom innerhalb des Aufnahmeraums. Dieser elektrische Strom wird besonders bevorzugt durch eine Kondensatorentladung erzeugt. Durch eine Beaufschlagung des Ausgangsmaterials mit elektrischem Strom erwärmt sich das Ausgangsmaterial und der Sinterprozess wird vollzogen.
-
Vorteilhafterweise besteht der Rotor oder die Rotorkomponente zumindest teilweise aus Metall und der Strom zum Sintern wird an den Rotor oder die Rotorkomponente angelegt, so dass der Strom über den Rotor oder die Rotorkomponente zum Aufnahmeraum und durch das Ausgangsmaterial hindurchfließt.
-
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der gesinterte Permanentmagnet zusätzlich nach dem Sintern durch Anlegen eines externen Magnetfeldes innerhalb des Aufnahmeraums magnetisiert wird, so dass ein Permanentmagnet entsteht. Durch Ausrichten des Ausgangsmaterials in einem Magnetfeld vor und/oder während dem Sintern kann auch direkt der Permanentmagnet erzeugt werden. Das nachträgliche Magnetisieren ist dann nicht zwingend notwendig.
-
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Aufnahmeraum so dimensioniert ist, dass er das gesamte Ausgangsmaterial und den gesamten gesinterten Permanentmagneten bzw. den Magnetfeldleiter vollständig aufnehmen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass der Permanentmagneten oder der Magnetfeldleiter nicht über den Aufnahmeraum übersteht.
-
Besonders bevorzugt kommen als Ausgangsmaterial Ferrite oder Metalle der Seltenen Erden, insbesondre Eisen und/oder Bor und/oder Cobalt und/oder Neodym und/oder Samarium zum Einsatz. Besonders bevorzugt wird AINiCo und/oder NdFeB und/oder SmCo verwendet.
-
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, einen Generator oder eine Transversalflussmaschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor oder eine Rotorkomponente mit zumindest einem Aufnahmeraum für einen Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter, wobei der Permanentmagnet oder Magnetfeldleiter innerhalb des Aufnahmeraums gesintert ist. Diese gesinterte Herstellung des Permanentmagneten oder des Magnetfeldleiters ist daran zu erkennen, dass der Permanentmagnet oder der Magnetfeldleiter mit seinen Ausmaßen sehr exakt in den Aufnahmeraum eingepasst ist.
-
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf die elektrische Maschine.
-
Im Besonderen ist vorgesehen, dass der Rotor und/oder die Rotorkomponente aus mehreren metallischen Blechen zusammengesetzt sind. Insbesondere ist die Rotorkomponente als Rotorblechpaket ausgebildet. In diesem Rotorblechpaket ist zumindest ein Aufnahmeraum ausgebildet. Mehrere dieser Rotorblechpakete werden zu dem Rotor zusammengefügt.
-
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
-
1a einen Rotor in Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel,
-
1b den Rotor aus 1a in zusammengesetzter Darstellung,
-
2a eine Draufsicht auf den Rotor der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
-
2b eine Detailansicht aus 2a.
-
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 1a bis 2b im Detail beschrieben.
-
1a zeigt in einer Explosionsdarstellung die wesentlichen Komponenten, aus denen ein Rotor 1 eines nicht dargestellten Elektromotors aufgebaut ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Elektromotor um einen Synchronmotor, insbesondere um einen Hybrid-Synchronmotor. Der Rotor 1 ist aus Rotorblechpaketen 2 (Rotorkomponente) aufgebaut, wobei in den Rotorblechpaketen 2 jeweils Permanentmagneten 4 aufgenommen sind. Wie in 1a angedeutet, sind in den Rotorblechpaketen 2 zwei Arten von Permanentmagneten 4 vorgesehen. Die Rotorblechpakete 2 wiederum sind jeweils aus einer Vielzahl von (nicht dargestellten) Rotorblechen aufgebaut. Die Rotorblechpakete 2 sind zwischen zwei Stützscheiben 6 angeordnet. Die Rotorblechpakete 2 und die Stützscheiben 6 werden miteinander durch vier Schrauben 8 und zugehörige Muttern 20 verbunden. 1b zeigt den zusammengesetzten Rotor 1.
-
In 2a ist ein Rotorblechpaket 2 dargestellt. Das Rotorblechpaket 2 weist erste Aufnahmeräume auf (auch als Kavernen bezeichnet), von denen einer exemplarisch mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet ist. Ferner weist das Rotorblechpaket 2 zweite Aufnahmeräume auf, von denen einer exemplarisch mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet ist. In die ersten Aufnahmeräume 22 sind zum einen erste Permanentmagnete 4a entsprechend einer ersten Baulage und zum anderen erste Permanentmagnete 4a entsprechend einer zweiten Baulage aufgenommen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 2a auf die Darstellung der ersten Permanentmagnete 4a verzichtet. Die erste Baulage der erste Permanentmagnete 4a ist durch die Bezugsziffer 26 bezeichnet. Die zweite Baulage der ersten Permanentmagnete 4a ist durch die Bezugsziffer 28 bezeichnet. In die zweiten Aufnahmeräume 24 sind zum einen zweite Permanentmagnete 4b entsprechend einer ersten Baulage und zum anderen zweite Permanentmagnete 4b entsprechend einer zweiten Baulage eingebracht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 2a ebenfalls auf die Darstellung der zweiten Permanentmagnete 4b verzichtet. Die erste Baulage der zweiten Permanentmagnete 4b ist durch die Bezugsziffer 30 bezeichnet. Die zweite Baulage der zweiten Permanentmagnete 4b ist durch die Bezugsziffer 32 bezeichnet.
-
Wie der Darstellung in 2a zu entnehmen ist, haben benachbarte erste Permanentmagnete 4a eine unterschiedliche Baulage und somit eine unterschiedliche Polung, was ihre magnetischen Eigenschaften angeht. Entsprechendes gilt für die zweiten Permanentmagnete 4b.
-
In 2b ist in einer vergrößerten Darstellung ein erster Aufnahmeraum 22 und ein zweiter Aufnahmeraum 24 gezeigt. In dem ersten Aufnahmeraum 22 befindet sich einer der ersten Permanentmagnete 4a und in dem zweiten Aufnahmeraum 24 befindet sich einer der zweiten Permanentmagnete 4b. Der erste Permanentmagnet 4a ist entsprechend einer ersten Baulage 26 bzw. Polung angeordnet. Der zweite Permanentmagnet 4b ist entsprechend einer ersten Baulage 30 bzw. Polung angeordnet. Der in 2b jeweils erkennbare Spalt zwischen den Aufnahmeräumen 22, 24 und den Permanentmagneten 4 soll keine einschränkende Wirkung haben.
-
Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine bzw. in herkömmlichen elektrischen Maschinen werden die fertigen Permanentmagneten 4 in die Aufnahmeräume 22, 24 eingesetzt. In der hier vorgestelltes Erfindung wird in die Aufnahmeräume 22, 24 lediglich ein Ausgangsmaterial, insbesondere in Pulverform, eingesetzt und anschließend im Magnetfeld ausgerichtet. Innerhalb des Aufnahmeraums 22, 24 wird dieses Ausgangsmaterial gesintert, so dass in dem Aufnahmeraum 22, 24 ein Permanentmagnet 4 entsteht. Für den Sinterprozess wird insbesondere ein elektrischer Strom an den Rotor 1 oder an eine einzelne Rotorkomponente 2 angelegt. Durch diesen Strom wird das Ausgangsmaterial erwärmt und somit der Sinterprozess vollzogen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Permanentmagneten 4 sehr exakt und ohne Spalt in den Aufnahmeräumen 22, 24 sitzen.
-
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die fertig gesinterten Permanentmagneten noch magnetisiert. Alternativ dazu ist es auch möglich, lediglich Magnetfeldleiter bzw. Flussleitsteine innerhalb der Aufnahmeräume 22, 24 herzustellen. Hierzu wird ein entsprechendes Ausgangsmaterial, insbesondere in Pulverform, für die Magnetfeldleiter ausgewählt und in die Aufnahmeräume 22, 24 eingefüllt. Daraufhin erfolgt der Sinterprozess.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotor
- 2
- Rotorblechpakete
- 4a, 4b
- Permanentmagneten
- 6
- Stützscheiben
- 18
- Schrauben
- 20
- Muttern
- 22, 24
- Aufnahmeräume
- 26, 28, 30, 32
- Baulagen
