DE102011088540A1

DE102011088540A1 - Elektrische Maschine sowie Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102011088540A1
Application number: DE102011088540A
Authority: DE
Inventors: Juergen BERNDL
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, Generator oder Transversalflussmaschine, umfassend zumindest einen Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter, einen Rotor (1) oder eine Rotorkomponente (2) mit zumindest einem Aufnahmeraum (22, 24) für den Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter, und ein expandierendes Strukturmaterial (33) zwischen einer Wandung des Aufnahmeraums (22, 24) und dem Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter.

Description

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 ”Flusssteine” eingesetzt. Die Flusssteine 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 eingeklebt. Aufgrund der Toleranzketten zwischen den Magneten und den Aufnahmeräumen für die Magnete ergeben sich unterschiedliche Volumen, die mit dem Klebstoff bzw. einer Vergussmasse gefüllt werden müssen. Dabei sind insbesondere die konstruktiven Maßnahmen nachteilig, die zum Verkleben bzw. Vergießen nötig sind. Um eine fertigungsgerechte Konstruktion zu ermöglichen, müssen teilweise die Aufnahmeräume größer gemacht werden, damit der Klebstoff bzw. die Vergussmasse reproduzierbar eingebracht werden kann. Diese Reduzierung der Blechpakete durch Aufweitung der Aufnahmeräume hat eine negative Beeinflussung der elektromagnetischen Auslegung zur Folge.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine elektrische Maschine anzugeben, die kostengünstig und montagefreundlich 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 eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, einen Generator oder eine Transversalflussmaschine, umfassend zumindest einen Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter und einen Rotor oder eine Rotorkomponente. In dem Rotor bzw. der Rotorkomponente ist zumindest ein Aufnahmeraum für den Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter vorgesehen. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine ein expandierendes Strukturmaterial zwischen einer Wandung des Aufnahmeraums und dem Permanentmagneten bzw. Magnetfeldleiter. Dieses expandierende Strukturmaterial füllt stets den Spalt zwischen dem Permanentmagneten bzw. dem Magnetfeldleiter und dem Aufnahmeraum aus.
Bevorzugt ist das Strukturmaterial dazu ausgebildet, nach erstmaliger Aktivierung stets zu expandieren, um den Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter im Aufnahmeraum zu fixieren. Dadurch wird sichergestellt, dass selbst bei einer Veränderung des Spaltes aufgrund von Wärmeausdehnungen das Strukturmaterial stets den Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter fixiert. Das Strukturmaterial ist insbesondere so ausgelegt, dass es nach der Aktivierung aufquillt und je nach Veränderung des Spaltes nachquillt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Strukturmaterial sich insbesondere im Betrieb der elektrischen Maschine einstellende unterschiedliche Spaltvolumina ausgleichen kann. Insbesondere erfolgt die erstmalige Aktivierung durch Erwärmung des Strukturmaterials. Dies kann beispielsweise mittels eines definierten Wärmeprozesses erfolgen.
Besonders bevorzugt kommt als Strukturmaterial ein Polymermaterial, insbesondere ein epoxidbasiertes Polymermaterial, zum Einsatz. Das Strukturmaterial ist an seiner Oberfläche klebefrei ausgebildet. Dadurch ist es möglich, das Strukturmaterial auf den Permanentmagneten bzw. den Magnetfeldleiter vor der Montage in dem Aufnahmeraum aufzubringen. Durch die klebefreie Ausbildung kann der Permanentmagnet bzw. der Magnetfeldleiter mit dem Strukturmaterial ohne weiteres in den Aufnahmeraum eingeschoben werden.
Besonders bevorzugt ist das Strukturmaterial als Quellfolie, insbesondere Blähschaumfolie, ausgebildet.
Der Aufnahmeraum ist bevorzugt so dimensioniert, dass er den Permanentmagneten oder Magnetflussleiter incl. dem Strukturmaterial vollständig aufnimmt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Permanentmagnet oder Magnetflussleiter nicht über den Aufnahmeraum hinaussteht.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, eines Generators oder einer Transversalflussmaschine. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen eines Rotors oder einer Rotorkomponente mit zumindest einem Aufnahmeraum für einen Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter. (ii) Einsetzen des Permanentmagneten oder Magnetfeldleiters in den Aufnahmeraum, wobei ein expandierbares Strukturmaterial zwischen einer Wandung des Aufnahmeraums und dem Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter angeordnet wird. Dabei kann entweder zunächst das Strukturmaterial auf den Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter aufgebracht werden und daraufhin die Einheit aus Strukturmaterial und Permanentmagnet bzw. Magnetfeldleiter in den Aufnahmeraum eingeschoben werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zuerst den Permanentmagneten oder Magnetfeldleiter einzuschieben und daraufhin den Spalt mit Strukturmaterial auszufüllen. In einer dritten Alternative kann das Strukturmaterial zunächst an die Wandung des Aufnahmeraums angebracht werden und daraufhin der Permanentmagnet oder Magnetfeldleiter eingeschoben werden. (iii) In einem weiteren Schritt erfolgt ein Aktivieren, insbesondere mittels Erwärmen, des Strukturmaterials innerhalb des Aufnahmeraums, so dass das Strukturmaterial aufquillt bzw. expandiert und so der Permanentmagnet oder Magnetfeldleiter im Aufnahmeraum fixiert wird.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1a in Explosionsdarstellung einen Rotor 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 ersten 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.
In 2b ist das expandierende Strukturmaterial 33 zwischen den Permanentmagneten 4a, 4b und der Wandung des jeweiligen Aufnahmeraums 22, 24 zu sehen. Dieses expandierende Strukturmaterial 33 kann dabei voll umfänglich um den gesamten Permanentmagneten 4a, 4b oder nur teilweise, an ausgewählten Stellen angebracht werden. Nachdem der Permanentmagnet 4a, 4b inkl. dem Strukturmaterial 33 in dem jeweiligen Aufnahmeraum 22, 24 angeordnet ist, erfolgt eine Erwärmung des Strukturmaterials 33. Dadurch expandiert das Strukturmaterial 33 bzw. quillt auf.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotorblechpakete
4a, 4b: Permanentmagneten
6: Stützscheiben
18: Schrauben
20: Muttern
22, 24: Aufnahmeräume
26, 28, 30, 32: Baulagen
33: Strukturmaterial

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, Generator oder Transversalflussmaschine, umfassend – zumindest einen Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter, – einen Rotor (1) oder eine Rotorkomponente (2) mit zumindest einem Aufnahmeraum (22, 24) für den Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter, und – ein expandierendes Strukturmaterial (33) zwischen einer Wandung des Aufnahmeraums (22, 24) und dem Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (33) dazu ausgebildet ist, insbesondere nach erstmaliger Aktivierung, zu expandieren um den Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter im Aufnahmeraum (22, 24) zu fixieren.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (33) ein Polymermaterial ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (33) ein epoxydbasiertes Polymermaterial ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion des Strukturmaterials (33) wärmeaktivierbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Strukturmaterials (33) klebefrei ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (33) eine Quellfolie, insbesondere eine Blähschaumfolie, ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (22, 24) zum vollständigen Aufnehmen des Permanentmagneten (4) oder Magnetflussleiters inklusive des Strukturmaterials (33) dimensioniert ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, eines Generators oder einer Transversalflussmaschine, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Rotors (1) oder einer Rotorkomponente (2) mit zumindest einem Aufnahmeraum (22, 24) für einen Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter, – Einsetzen des Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiters in den Aufnahmeraum (22, 24), wobei ein expandierbares Strukturmaterial (33) zwischen einer Wandung des Aufnahmeraums (22, 24) und dem Permanentmagneten (4) oder Magnetfeldleiter angeordnet wird, und – Aktivieren, insbesondere Erwärmen, des Strukturmaterials (33) innerhalb des Aufnahmeraums (22, 24), sodass der Permanentmagnet (4) oder Magnetfeldleiter im Aufnahmeraum (22, 24) fixiert wird.