-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, der konzentrisch um eine Rotorwelle und drehfest an dieser angeordnet ist, wobei der Rotor eine Ummantelung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gegen Korrosion geschützten Rotors.
-
Es sind Rotoren für elektrische Maschinen bekannt, die einen eisenhaltigen Grundkörper zum Führen von magnetischen Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes aufweisen. Zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes weisen diese Rotoren häufig Dauermagnete auf, die am Grundkörper der Rotoren angeordnet und/oder in Aussparungen der Grundkörper eingebettet sind.
-
Die Dauermagnete bestehen aus einem gesinterten Pulver oder sind als Pulver in eine Kunststoffmatrix eingebunden. Die Werkstoffe, aus denen die Dauermagnete hergestellt sind, sind stark korrosionsanfällig. Dabei sind Dauermagnete aus Ferrit geringer, Dauermagnete aus NeodymEisenBor sehr stark korrosionsanfällig.
-
Um die Dauermagnete gegen Korrosion zu schützen, ist es beispielsweise bekannt, dass sie mit einer Beschichtung aus Ni-Cu-Ni (Ni: Nickel, Cu: Kupfer) versehen werden. Bekannt ist auch, die Dauermagnete zu phosphatieren, oder andere Korrosionsschutzschichten aufzubringen, beispielsweise Lacke, Kunststoffumspritzungen oder Epoxidbeschichtungen.
-
Der Grundkörper der Rotoren wird häufig aus einem Weicheisenmaterial hergestellt. Für ihn werden zumeist gestanzte, silizierte Bleche verwendet. Auch pulvermetallurgisch gepresste Grundkörper sind bekannt. Zum Schutz gegen Korrosion wird beispielsweise eine Zinnschicht im Badtauchverfahren auf die Grundkörper aufgetragen. Bekannt ist es auch, die Grundkörper mit einem Schrumpfschlauch oder einer dicht geschweißten Edelstahlhülse zu umhüllen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen Rotor für eine elektrische Maschine zu schaffen, der sehr gut gegen Korrosion geschützt ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, der konzentrisch um eine Rotorwelle und drehfest an dieser angeordnet ist, wobei der Rotor eine Ummantelung aufweist, die aus einem aushärtbaren Medium gebildet ist und ihn hermetisch dicht umgibt.
-
Als aushärtbares Medium werden im Folgenden eine Flüssigkeit und/oder ein verflüssigbares Granulat bezeichnet. Im ausgehärteten Zustand bildet es die Ummantelung.
-
Eine hermetisch dichte Ummantelung im Sinne der Erfindung ist zumindest feuchtigkeitsdicht, bevorzugt ist sie zudem luft- und staubdicht.
-
Der Rotor umfasst einen Grundkörper, der bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem eisenhaltigen Werkstoff oder aus Eisen, gebildet ist. In dieser Ausführungsform wird der Grundkörper bevorzugt durch Stanzen, Pressen, Tiefziehen oder anderen Umformprozessen geformt.
-
Ebenfalls bevorzugt ist der Grundkörper aus anderen Trägermaterialien wie beispielsweise Keramiken oder Kunststoffen gebildet, wobei dieser Grundkörper durch Dotierung oder gezielten Schichtaufbau mit magnetisch leitenden Schichten magnetisiert ist.
-
Weiterhin bevorzugt enthält der Grundkörper gepresste Weicheisenpulver (SMC = Soft Magnetic powder iron Composite).
-
Die Rotorwelle kann als Vollkörper oder als Hohlkörper, bevorzugt zylindrisch, ausgebildet sein. Sie ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem festen Werkstoff gebildet, insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Bevorzugt ist sie aus Eisen oder einer Eisenlegierung, oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet. Besonders bevorzugt ist sie aus einem Edelstahl gebildet. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist die Rotorwelle aus einem Nichtmetall gebildet, vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff.
-
Durch die hermetisch dichte Ummantelung ist nicht nur der Grundkörper des Rotors, sondern sind auch weitere gegebenenfalls am oder im Rotor vorgesehene Rotorkomponenten wie etwa Dauermagnete und/oder Klemmmittel zur Befestigung der Dauermagnete, oder Rotorwicklungen, vor Korrosion geschützt. Da ein aushärtbares Medium für die Ummantelung verwendet wird, ist diese von der Form und der Größe des Rotors unabhängig.
-
Bevorzugt ist das aushärtbare Medium aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem Duroplasten, gebildet. Inwieweit es sich in Unebenheiten und/oder Spalten im Rotor verteilt, ist von den Eigenschaften des verwendeten aushärtbaren Mediums und/oder den Herstellungsbedingungen, beispielsweise vom Spitzdruck, von den Fliesseigenschaften, der Werkzeugtemperatur und/oder von der Umgebungstemperatur während des Herstellungsprozesses, abhängig.
-
Besonders bevorzugt wird als Duroplast ein Epoxidharz verwendet. Es eignen sich aber auch andere Duroplaste wie beispielsweise Aminoplaste und Phenoplaste, und weitere Polymere wie beispielsweise Polyacrylate und Polyurethane.
-
Es ist bevorzugt, dass der Korrosionsschutz durch Haftungs- und/oder intrinsische thermomechanische Eigenschaften des ausgehärteten aushärtbaren Mediums in Abhängigkeit von der Rezeptur des aushärtbaren Mediums und/oder der Prozessführung gegen chemische Zersetzung inert ist.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Ummantelung eine Dicke von etwa 0,1–1,5mm aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist sie eine Dicke von etwa 0,5mm auf, so dass sie die Ausmaße des Rotors nicht erheblich vergrößert, und trotzdem einen auch unter Betriebsbedingungen dauerhaften Schutz gewährleistet.
-
Der Rotor erstreckt sich bevorzugt von einem ersten Ende in Richtung der Rotorwelle bis zu einem zweiten Ende, wobei die Ummantelung sich um den Rotor und jeweils von den Enden des Rotors ausgehend entlang der Rotorwelle erstreckt. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Ummantelung an beiden Enden des Rotors zumindest einen Teil der Rotorwelle umgibt. Diese Bereiche der Ummantelung bilden jeweils einen Bund, der die Rotorwelle hermetisch umgibt. Dadurch ist auch der Übergang zwischen Rotorwelle und Rotor hermetisch abgedichtet, so dass zwischen Rotorwelle und Rotor keine Luft, kein Staub und/oder keine Feuchtigkeit eindringen können. Durch diese Bunde an den beiden Enden des Rotors ist die Abdichtung des Rotors daher besonders gut sicher gestellt. Zudem wird im Bereich der Bunde auch die Rotorwelle vor Korrosion geschützt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor zur Bildung eines elektromagnetischen Feldes Dauermagnete auf, die am Rotor beziehungsweise am Grundkörper des Rotors angeordnet und/oder im Rotor beziehungsweise in Aussparungen des Grundkörpers eingebettet sind. Es ist besonders bevorzugt, dass die Ummantelung die Dauermagnete in axialer und/oder radialer Richtung des Rotors gegen Herausfallen sichert, und/oder diese sogar an ihrer Position fixiert. Dafür sind die im Grundkörper vorgesehenen Aussparungen für die Dauermagnete bevorzugt so dimensioniert, dass das aushärtbare Medium während des Einfüllens in einen Zwischenraum zwischen die Dauermagnete und den Grundkörper einfließen kann. In dieser Ausführungsform können Klemmmittel für die Positionierung und/oder Fixierung der Dauermagnete zumindest teilweise oder sogar vollständig entfallen. Oder im Rotor sind ebenfalls bevorzugt Kapillare vorgesehen, die das aushärtbare Medium an die Dauermagnete und/oder weitere Rotorkomponenten heran führen.
-
Das aushärtbare Medium dieser Ausführungsform des Rotors ist bevorzugt elastisch und/oder plastisch ausgebildet. Im Folgenden wird ein Material als elastisch und/oder plastisch bezeichnet, dass sich entweder elastisch verhält und daher reversibel verformbar ist, oder dass sich plastisch verhält und daher irreversibel verformbar ist, oder dass sich elastisch und plastisch verhält und daher nach einem plastischen Verformen immer noch eine Elastizität aufweist.
-
Besonders bevorzugt ist das aushärtbare Medium im ausgehärteten Zustand gegen eine Rückstellkraft verformbar, so dass es ein definiertes Federverhalten und/oder mechanisches Klemmverhalten aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist das ausgehärtete aushärtbare Medium elastisch und plastisch ausgebildet. Dadurch ist es so dimensionierbar, dass Bauteiltoleranzen des Dauermagneten sowie sein Temperaturverhalten über die Bandbreite der in dem Rotor der elektrischen Maschine herrschenden Temperaturen weitestgehend ausgleichbar sind.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Rotor. Eine elektrische Maschine ist beispielsweise ein Elektromotor, ein Verstellantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ein Generator oder ein Starter. Besonders bevorzugt ist sie ein Elektromotor. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor eine Synchronmaschine, ein Reluktanzmotor, ein permanentmagneterregter Gleichstrommotor, ein Außenläufermotor oder ein Elektromotor mit einer anderen Topologie. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ein EC-Innenläufermotor.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Handwerkzeugmaschine mit einem solchen Elektromotor. Die Handwerkzeugmaschine ist bevorzugt eine Bohrmaschine oder eine Stichsäge oder ähnlich.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verstellantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Elektromotor. Der Verstellantrieb ist bevorzugt ein Heckklappenantrieb oder ein Servomotor.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines gegen Korrosion geschützten, insbesondere erfindungsgemäßen, Rotors, mit folgenden Schritten:
- • Anordnen des Rotors an einer Rotorwelle, und
- • Ummanteln des Rotors mit einer ihn hermetisch umgebenden Ummantelung, die aus einem aushärtbaren Medium gebildet ist.
-
Die Ummantelung schützt den Rotor dauerhaft vor Korrosion. Sie ist sehr kostengünstig, beispielsweise durch Umspritzen oder Umgießen, auf den Rotor aufbringbar. Besonders bevorzugt wird die Ummantelung mittels Transfermolding auf den Rotor aufgebracht.
-
Es ist zudem bevorzugt, dass der Rotor und/oder die Rotorwelle vor dem Ummanteln plasmagereinigt werden, so dass zwischen dem Rotor und/oder der Rotorwelle sowie der Ummantelung keine Verunreinigungen vorhanden sind. Das Reinigen des Rotors, insbesondere des Grundkörpers des Rotors, und/oder der Rotorwelle erfolgt ebenfalls bevorzugt zusätzlich oder alternativ mittels eines Lösungsmittels.
-
Ebenfalls bevorzugt werden der Rotor und/oder die Rotorwelle vor dem Ummanteln mit einem Haftvermittler, insbesondere mit einem Silan, beschichtet und/oder plasmaaktiviert, so dass die Haftung der Ummantelung am Rotor und/oder an der Rotorwelle zudem verbessert ist.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der Rotor und/oder die Rotorwelle vorgewärmt, um die Prozesszeit zu verringern. Weiterhin bevorzugt werden der Rotor und/oder die Rotorwelle nach dem Ummanteln getempert, um eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Ummantelung zu erzielen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
-
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor während des Herstellungsprozesses in einem Werkzeug,
-
2 zeigt in 2(a) einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor, wobei die 2(b) den Ausschnitt Y der 2(a) zeigt, wobei die 2(c) einen Ausschnitt Y der 2(a) zeigt, der in einer axialen Richtung des Rotors gegenüber dem Ausschnitt der 2(b) versetzt ist, und wobei die 2(d) den Schnitt B1–B2 der 2(b) in der axialen Richtung zeigt,
-
3 zeigt in (a) und (b) jeweils einen Schnitt durch den Rotor in axialer Richtung, wobei nur eine Hälfte des Rotors dargestellt ist, und
-
4 zeigt verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rotoren.
-
In 1 ist ein Schnitt durch ein Werkzeug 10 für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors 1 gezeigt, welches einen Aufnahmeraum 111 zur Aufnahme des Rotors 1 sowie der Rotorwelle 2 aufweist.
-
Der Rotor 1 ist drehfest an der Rotorwelle 2 angeordnet, die sich in eine axiale Richtung 21 entlang einer Rotorachse 20 erstreckt. Sowohl die Rotorwelle 2 als auch der Rotor 1 sind konzentrisch um die Rotorachse 20 angeordnet. Der dargestellte Rotor 1 weist einen Grundkörper 14 auf, der als Lamellenpaket aus einer Vielzahl von Lamellen 11, die aus Blechen gebildet und beispielsweise durch Stanzpaketieren miteinander verbunden sind, gefertigt ist. Die Erfindung ist aber nicht auf einen solchen Rotor 1 beschränkt. Sondern der Grundkörper 14 des erfindungsgemäßen Rotors 1 ist auch aus einem Vollkörper herstellbar.
-
Im Rotor 1 beziehungsweise in seinem Grundkörper 14 sind Aussparungen 30 vorgesehen, in denen Dauermagnete 3 angeordnet sind. Die Dauermagnete 3 sind hier daher im Rotor 1 eingebettet. Die Erfindung bezieht sich aber auch auf Rotoren 1, bei denen die Dauermagnete 3 nicht im Grundkörper 14 eingebettet, sondern außen am Grundkörper 14 angeordnet sind, sowie auf Rotoren 1, die zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes Spulenwicklungen (nicht gezeigt) aufweisen.
-
1 zeigt den im Werkzeug 10 angeordneten Rotor 1 während seiner Herstellung. Der an der Rotorwelle 2 angeordnete Rotor 1 ist im Aufnahmeraum 111 positioniert. Gezeigt ist das Einfüllen eines aushärtbaren Mediums 40 durch eine Einfülldüse 102 in den Aufnahmeraum 111 des Werkzeugs 10. Die Ausmaße des Rotors 1 sind kleiner vorgesehen, als die Ausmaße des Aufnahmeraums 111. Der Rotor 1 ist während des Einfüllens des aushärtbaren Mediums 40, beispielsweise mittels Niederhaltern 101, 103, so platziert, dass zwischen dem Werkzeug 10 und dem Rotor 1 sowie zumindest einem Teil 23 der Rotorwelle 2 ein Zwischenraum 112 verbleibt, der bevorzugt den gesamten Rotor 1 sowie den Teil der Rotorwelle 2 vollumfänglich umgibt. Das aushärtbare Medium 40 fließt beim Einfüllen in den Zwischenraum 112 ein, so dass der gesamte Rotor 1 sowie der Teil der Rotorwelle 2 vom aushärtbaren Medium 40 umhüllt ist.
-
Zudem sind die Aussparungen 30, in denen die Dauermagnete 3 eingebettet sind, hier so groß gewählt, dass zwischen den Dauermagneten 3 und dem Grundkörper 14 an einer der Rotorwelle 2 zugewandten Seite 31 der Aussparung 30 jeweils ein zweiter Zwischenraum 113 verbleibt. Während des Einfüllens fließt das aushärtbare Medium 40 hier daher auch zwischen die Dauermagnete 3 und den Grundkörper 14 des Rotors 1.
-
Und zwar erstreckt sich der Rotor 1 von einem ersten Ende 12 in axialer Richtung 21 zu einem zweiten Ende 13, wobei sich der Zwischenraum 112 jeweils von den Enden 12, 13 des Rotors 1 ausgehend entlang der Rotorwelle 2 erstreckt. Dabei umgibt der Zwischenraum 112 die Rotorwelle 2 an den beiden Enden 13, 13 des Rotors 1 vollumfänglich.
-
An seinen beiden Enden 12, 13 weist der Rotor 1 jeweils eine Stirnfläche 15 auf, die durch eine Außenfläche 16 miteinander verbunden sind.
-
Im ausgehärteten Zustand bildet das aushärtbare Medium 40 eine Ummantelung 4. Die Ummantelung 4 ummantelt dann die Stirnflächen 15, die Außenfläche 16 sowie von den Stirnflächen 15 ausgehend jeweils einen Teil der Rotorwelle 2. Zudem ist sie an der der Rotorwelle 2 zugewandten Seite 31 der Aussparung 30 in dieser angeordnet.
-
Durch die an den Stirnflächen 15 vorgesehene Ummantelung 4, 42 sowie die an der Außenfläche 16 vorgesehene Ummantelung 4, 41 ist der Rotor 1, das heißt der Grundkörper 14 des Rotors 1 sowie weitere Rotorkomponenten 3, vor Korrosion geschützt.
-
Durch die an den Stirnflächen 15 jeweils angeordnete Ummantelung 4, 42 werden zudem die Dauermagnete 3 in axialer Richtung 21 gegen ein Herausfallen gesichert. Die Ummantelung 4, 44 an der der Rotorwelle 2 zugewandten Seite 31 der Aussparung 30 positioniert und/oder fixiert die Dauermagnete 3 jeweils in ihrer Aussparung 30.
-
Und an der Rotorwelle 2 bildet die von den Enden 12, 13 des Rotors 1 ausgehende Ummantelung 4, 43 einen Bund 23, der die Dichtigkeit der Ummantelung 4 verbessert, so dass der Rotor 1 noch besser gegen Korrosion geschützt ist.
-
2 zeigt in (a) ein Schnittbild durch den ummantelten Rotor 1 quer zur Rotorwelle 2. Sichtbar ist die die Außenfläche 16 des Rotors 1 vollumfänglich umgebende Ummantelung 4, 41. Die Ummantelung 4, 41, 42, 43 weist bevorzugt an den Stirnflächen 15, an der Rotorwelle 2 sowie an der Außenfläche 16 eine möglichst geringe Dicke 46 auf, so dass sie die Ausmaße des Rotors 1 beziehungsweise der Rotorwelle 2 nicht erheblich vergrößert. Und gleichzeitig ist die Dicke 46 bevorzugt so gewählt, dass sie den auf sie wirkenden Kräften unter Betriebsbedingungen des Rotors 1 dauerhaft standhält. Vorzugsweise liegt die Dicke 46 der Ummantelung 4, 41, 42, 43 bei etwa 0,1–1,5 mm.
-
In den 2(b) und (c) ist jeweils ein Ausschnitt Y aus der 2(a) gezeigt, wobei die Ausschnitte in axialer Richtung zueinander versetzt sind. Den Verlauf des Ausschnitts Y in axialer Richtung zeigt die 2(d).
-
Sichtbar ist, dass die Lamellen 11 des Grundkörpers 14 an der der Rotorwelle 2 zugewandten Seite 31 der Aussparung 30 verschieden lang ausgebildet sind. Daher liegen einige längere Lamellen 11 etwa am Dauermagneten 3 an, wobei kürzere Lamellen 11 im Wechsel mit den längeren Lamellen 11 vorgesehen sind, so dass zwischen den längeren Lamellen 11 jeweils zweite Zwischenräume 113 ausgebildet sind, in denen die Ummantelung 4, 44 vorgesehen ist.
-
Die 3(a) und (b) zeigen schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rotoren 1. Sichtbar ist jeweils ein Schnitt durch einen halben Rotor 1 sowie die Rotorwelle 2.
-
In der 3(a) ist der die Rotorwelle 2 vollumfänglich umgebende Bund 23 der Ummantelung 4, 43 jeweils von den Enden 12, 13 des Rotors 1 ausgehend nach außen, d. h. in axialer Richtung 21 vom Grundkörper 14 des Rotors 1 weg, vorgesehen.
-
In der 3(b) ist der die Rotorwelle 2 vollumfänglich umgebende Bund 23 der Ummantelung 4, 43 jeweils von den Enden 12, 13 des Rotors 1 ausgehend nach innen, d. h. in axialer Richtung 21 in den Grundkörper 14 des Rotors 1 hinein, vorgesehen.
-
Die 4 zeigt in (a)–(c) jeweils verschiedene weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rotoren 1. Die Rotoren 1 unterscheiden sich in der Kontur der Außenfläche 16, in der Anordnung der Dauermagnete 3 und in der Anordnung der in den Aussparungen 30 der Dauermagnete 3 angeordneten Ummantelung 4, 44. In der Ausführungsform der 4(c) wird die Ummantelung 4, 45 zudem zur Befestigung des Grundkörpers 14 an der Rotorwelle 2 genutzt.
-
Der erfindungsgemäße Rotor 1 ist durch die Ummantelung 4 dauerhaft gegen Korrosion geschützt. Dadurch kann der Korrosionsschutz für weitere Rotorkomponenten, beispielsweise für Dauermagnete 3, entfallen. Zudem übernimmt die Ummantelung 4 gegebenenfalls weitere Aufgaben, wie beispielsweise die Funktion eines Klemmmittels zur Fixierung der Dauermagnete 3.
