DE102013020360A1

DE102013020360A1 - Rotor für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102013020360A1
Application number: DE102013020360.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Erlich; Jürgen Pflüger
Original assignee: BAUMUELLER DIRECTMOTION GmbH
Current assignee: BAUMUELLER DIRECTMOTION GmbH
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-06-11
Also published as: DE202013012411U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (2) für eine elektrische Maschine (1), insbesondere für einen Synchronmotor oder -generator, umfassend eine Rotorwelle (3) mit einem Wellenabschnitt (A) und mit auf diesem in Wellenumfangsrichtung (U) verteilt angeordneten Magneten (4), welche unmittelbar auf den Wellenabschnitt (A) der Rotorwelle (3) aufgeklebt sind, gekennzeichnet durch quader- oder stabförmig Magnete (4), die mittels mindestens eines mit der Rotorwelle (3) drehfest verbundenen Montagerings (5) axial und radial positioniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einer Rotorwelle mit einem zentralen Wellenabschnitt mit auf diesem in Wellenumfangsrichtung verteilt angeordneten Magneten, welche unmittelbar auf den Wellenabschnitt der Rotorwelle aufgeklebt sind.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Synchronmotoren oder bürstenlose Gleichstrommotoren, die üblicherweise als Innenläufer konzipiert sind. Dabei wird das benötigte Drehfeld von auf dem Stator angebrachten Spulen erzeugt, während auf dem Rotor zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes eine Anzahl von Magneten vorgesehen ist. Häufig werden zur Fixierung und Positionierung der Magneten sogenannte Magnetträger verwendet, in denen entsprechende Halterungen oder Taschen vorgesehen sind.
Kosteneffizienter ist es jedoch, die Magneten direkt auf die Rotorwelle zu kleben. Hierbei können die Magneten jedoch verrutschen. Daher sind die Magneten häufig ringsegmentförmig ausgelegt und werden mittels eines den Rotor umlaufenden Fixierungsbandes auf der Rotorwelle gehaltert, um im Anschluss an ein Aushärten des Klebstoffs das Fixierungsband wieder zu entfernen. Das Anbringen und das Entfernen des Fixierungsbandes stellen dabei einen zusätzlichen Aufwand dar. Auch bei dieser Methode ist ein Verrutschen der Magneten während der Montage möglich, insbesondere, wenn die Magneten nicht kreissegmentförmig ausgebildet sind und dadurch nicht optimal von dem umlaufenden Fixierungsband gehalten werden können.
Aus der DE 10 2004 035 675 A2 ist es bekannt, speziell geformte Magnete (oder magnetisierbare Segmente) zu verwenden, um die gewünschte Positionierung sicherzustellen und einen definierten Klebespalt zu erzeugen. Dazu sind die einzelnen Magneten derart gekrümmt ausgebildet, dass der der Rotorwelle zugewandte Radius geringer ist als der Radius der Rotorwelle, wodurch ein Spalt zur Einbringung des Klebstoffes bereitgestellt ist. Nachteilig ist hierbei, dass der Klebespalt nur stirnseitig zugänglich ist. Weiterhin von Nachteil ist die spezielle Form der Magnete, die eine entsprechend aufwendige Fertigung bedingt und zusätzlich den Verwendungsbereich auf Rotorwellen eines bestimmten Größenbereiches einschränkt, da die Krümmung des Magneten in Abhängigkeit des Durchmessers der Rotorwelle gewählt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kosteneffizienten Konstruktionsansatz zur Montage von Magneten auf einer Rotorwelle anzugeben. Dabei sollen möglichst wenige Montageschritte erforderlich sein. Des Weiteren soll eine fehlerfreie Positionierung von einfach geformten, insbesondere quaderförmigen, Magneten, sogenannten Stabmagneten, auf einer Rotorwelle ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierzu ist ein Rotor für einen Elektromotor mit auf einer Rotor- oder Motorwelle angeordneten Permanentmagneten in Stabform sowie mit mindestens einem wellenfesten Montagering vorgesehen, der eine stirnseitige Anlagekontur als axiale Anlage für jeden der Permanentmagnete sowie andererseits axial verlaufende Abstandskonturen aufweist, die zur Bildung definierter Abstände zwischen die Magnete ragen, wobei die Magnete direkt, d. h. unmittelbar mit der Wellenoberfläche verklebt sind. Mit anderen Worten weist der Rotor eine Rotorwelle mit auf einem Wellenabschnitt in Wellenumfangsrichtung verteilt angeordneten Magneten auf, welche unmittelbar auf den Wellenabschnitt der Rotorwelle aufgeklebt sind, wobei die Magnete quader- oder stabförmig – und somit als Stabmagneten ausgebildet – sowie mittels mindestens eines mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Montagerings axial und radial positioniert sind.
Durch die Klebung werden die Magnete bei einer Rotation des Rotors in Position gehalten und die entstehenden Fliehkräfte aufgenommen. Die Positionierung der Magnete zueinander und bezüglich der Rotorwelle sind vor und während des Verklebens von dem Montagering vorgegeben. Dadurch ist eine optimale Ausrichtung der Magneten auf der gekrümmten Oberfläche der Rotorwelle gewährleistet. Der Montagering ist vorzugsweise als Kunststoffspritzteil ausgeführt und kann zur Herstellung eines Presssitzes auf die Rotorwelle aufgeschoben, aufgesteckt oder aufgeschrumpft werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor dadurch gekennzeichnet, dass der Montagering eine Anzahl von sich zwischen benachbarten Magneten axial erstreckenden und in Wellenumfangsrichtung äquidistant beabstandeten Positionierstegen aufweist, deren Steglänge kleiner ist als die halbe axiale Segmentlänge der Magnete. Dabei bilden die Positionierstege paarweise umfangsseitig offene Positionierschächte, in denen die Magnete lediglich mit deren Freienden einliegen. Unter sich axial vom Montagering erstreckenden Positionierstegen (auch Positionierzähne) wird hierbei verstanden, dass der Montagering ähnlich einem Kronrad ausgebildet ist. Die Positionierschächte sind derart ausgebildet, dass die Freienden der Magneten in Umlaufrichtung und in axialer Richtung formschlüssig mit dem Montagering verbunden sind. Auf dem Umfang (das heißt in radialer Richtung) sind die Positionierschächte jedoch offen, wodurch insbesondere die Magneten direkt auf die Welle gesetzt oder gelegt werden können. Die Positionierstege gewährleisten eine gleichmäßige Beabstandung der Magneten in Umlaufrichtung. Die Positionierstege sind vorteilhafterweise – in Axialrichtung der Motorwelle gesehen – möglichst kurz ausgelegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor gekennzeichnet durch zwei an jeweils einer der Stirnseiten der Magnete angeordneten Montageringen mit einander zugewandten Positionierstegen, welche paarweise axial gegenüberliegende Positionierschächte bilden, in denen lediglich die jeweiligen Freienden der Magnete einliegen.
Geeigneterweise ist der Rotor dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierstege in Radialrichtung über deren radiale Steglänge zumindest teilweise keilförmig und mit dem Wellenabschnitt zugewandter Keilspitze ausgebildet sind. Da insbesondere die Seitenflächen quaderförmiger Magnete auf der typischerweise gekrümmten Mantelfläche einer Rotorwelle nicht parallel zueinander sind, sondern einen in Richtung der Drehachse zulaufenden Winkel bilden, wird eine Positionierung der Magnete durch entsprechend keilförmige und diesen Winkel nachbildende Positionierstege verbessert. Dabei ist es ausreichend, dass die Schenkel des Winkels wenigstens teilweise nachgebildet sind. Insbesondere müssen die Positionierstege an deren der Welle zugewandten Ende keine Spitze aufweisen. Die Positionierstege können an diesem Ende daher beispielsweise auch trapezförmig ausgebildet sein, wobei die kürzere der beiden Grundseiten zur Welle hin orientiert ist. Durch den hierbei definierten Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Magneten ist weiterhin ein Eindringen des Klebers in diesen Zwischenraum und gegebenenfalls unter die Magnete, das heißt in den Spalt zwischen dem jeweiligen Magnet und der Rotorwelle, erleichtert. Dies führt zu einer vorteilhaften Verklebung der Magnete mit der Rotorwelle.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Rotor dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ringdicke des Montagerings kleiner ist als die radiale Dicke der Magnete. Da der Montagering lediglich als Positionierhilfe dient und die Klebung die Fliehkräfte aufnimmt, ist eine Einhausung oder Abdeckung der Magnete durch den Montagering weder in radialer noch in axialer Richtung notwendig, wodurch entsprechend Material eingespart werden kann.
Geeigneterweise ist der Rotor zudem dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenabschnitt der Rotorwelle eine Umfangsnut aufweist, in welcher ein Sicherungsring zur axialen Sicherung des Montagerings einsitzt oder einsetzbar ist. Dieser sichert den Montagering zusätzlich axial. Der Sicherungsring kann nach erfolgter Verklebung wieder entfernt werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass quaderförmige Magnete (Stabmagnete) mittels eines Montagerings fehlersicher und verrutschsicher auf eine Rotorwelle aufgesetzt und dort verklebt werden können. Eine Positionierung wird durch vorzugsweise der Form der Magnete angepasste Positionierstege erreicht. Im Fall von quaderförmigen Magneten sind die Positionierstege vorteilhafterweise keilförmig ausgebildet. Weiterhin definieren die Positionierstege den Abstand zwischen zwei in Umlaufrichtung benachbarten Magneten.
Der Montagering ist mit möglichst geringem Materialeinsatz gefertigt, da dieser nur zur Positionierung der Magnete dient. Insbesondere können die Positionierstege wesentlich kürzer als die Magneten ausgelegt sein. Desweiteren kann die radiale Dicke geringer als die der Magneten ausgelegt sein.
Weiterhin können mehrere Montageringe auf einer Rotorwelle derart angeordnet sein, dass eine Bestückung der Rotorwelle mit mehreren Magneten in axialer Richtung möglich ist. Hierdurch sind entsprechende Magnete flexibel verwendbar, da gleichartige Magnete zur Konstruktion von Rotoren unterschiedlicher Länge verwendet werden können. Insbesondere kann ein Montagering auch mit Positionierstegen auf beiden Seiten ausgebildet sein, um entsprechend beidseitig Magnete zu positionieren.
Vorteilhaft können gleichartige Magnete durch Anpassen des Montageringes an den Radius der Rotorwelle auch zur Bestückung von Rotorwellen mit unterschiedlichem Radius verwendet werden. Insbesondere kann der Montagering auch derart ausgebildet sein, dass die Magneten nicht parallel zur Achse, sondern in einem Winkel auf dem zylinderförmigen Wellenabschnitt positioniert sind, wodurch das Polrasten reduziert werden kann. Hierzu kann der Montagering beispielsweise entsprechend angestellte Positionierstege aufweisen. Sind zwei Montageringe zur Aufnahme der jeweiligen Freienden der Magnete vorgesehen, liegen sich die Positionierschächte typischerweise nicht exakt paarweise gegenüber.
Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil ist die kosteneffiziente Fertigung der Rotorwelle oder eines Motors mit einer solchen Rotorwelle aufgrund der einfachen Form der Magnete, der flexiblen Verwendung gleichartiger Magnete für unterschiedlich dimensionierte Rotorwellen und der direkten Verklebung der Magnete auf der Rotorwelle. Geeigneterweise verbleibt der Montagering nach dem Verkleben auf der Rotorwelle, wodurch insbesondere ein zusätzlicher Konstruktionsschritt zum Entfernen des Montageringes entfällt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in perspektivischem Längsschnitt eine elektrische Maschine mit einem Rotor,
2 in einer Darstellung gemäß 1 den Rotor mit einer Rotorwelle und darauf positionierten Magneten,
3 einen Ausschnitt des Rotors mit Blick auf dessen Außenumfang,
4 einen perspektivischen Querschnitt entlang des von Positionierstegen eines Montageringes des Rotor, und
5 in einer Darstellung gemäß 3 den Rotor mit Blick auf sich gegenüberliegende Positionierschächte zweier Montageringe ohne einliegendem Magnet.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere sind in dem hier angeführten Ausführungsbeispiel alle Magneten, Montageringe, Positionierstege, Positionierschächte und Umfangsnuten jeweils gleichartig ausgebildet und daher jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Maschinengehäuse 11, einem Rotor 2, einer Rotorwelle 3 sowie einem Stator 12 in einem Längsschnitt. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor mit einer Leisten zwischen 0,2 kW und 1 kW, insbesondere von 0,28 kW bis 0,82 kW.
2 zeigt den Rotor 2 mit der Rotorwelle 3 gemäß 1, ebenfalls im Längsschnitt. Auf einem Wellenabschnitt A der Rotorwelle 3 sind in Umlaufrichtung U eine Anzahl von Stabmagneten 4 (im Folgenden auch als Magnete bezeichnet) mit einer Segmentlänge S mittels zweier Montageringe 5 positioniert. Desweiteren weist die Rotorwelle 3 zwei Umfangsnuten 6 zur Aufnahme je eines, hier nicht gezeigten Sicherungsrings auf.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt des Rotors 2. Die Magneten 4 werden durch Positionierstege 7 der Montageringe 5 beabstandet. Erkennbar ist, dass die Positionierstege 7 in axialer Richtung wesentlich kürzer sind als die Segmentlänge S der Magneten 4. Lediglich die Freienden 8 jedes Magneten 4 liegen jeweils zwischen zwei Positionierstegen 7 ein und werden durch diese beabstandet.
4 zeigt einen Querschnitt des Rotors 2 und der Rotorwelle 3 gemäß 1 und insbesondere die Positionierstege 7 eines der Montageringe 5 im Querschnitt. Daraus wird deutlich, dass die Positionierstege 7 in Radialrichtung auf ihrer radialen Steglänge L teilweise keilförmig ausgebildet sind, wobei die Keilspitzen 9 der Rotorwelle 3 zugewandt sind.
5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt des Rotors 2 und der Rotorwelle 3, die zwei Montageringe 5 und insbesondere einen durch zwei Positionierstege 7 definierten Positionierschacht 10, in welchen ein Magnet 4 eingelegt werden kann. Erkennbar ist, dass die Ringdicke R des Montageringes 6 geringer ist als die Dicke D der Magneten 4.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Rotor
3: Rotorwelle
4: Magnet
5: Montagering
6: Umfangsnut
7: Positioniersteg
8: Freiende
9: Keilspitze
10: Positionierschacht
11: Maschinengehäuse
12: Stator
A: Wellenabschnitt
D: Dicke
R: Ringdicke
S: Segmentlänge
L: Steglänge
U: Umlaufrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004035675 A2 [0004]

Claims

Rotor (2) für eine elektrische Maschine (1), insbesondere für einen Synchronmotor, umfassend eine Rotorwelle (3) mit einem Wellenabschnitt (A) und mit auf diesem in Wellenumfangsrichtung (U) verteilt angeordneten Magneten (4), welche unmittelbar auf den Wellenabschnitt (A) der Rotorwelle (3) aufgeklebt sind, gekennzeichnet durch quader- oder stabförmig Magnete (4), die mittels mindestens eines mit der Rotorwelle (3) drehfest verbundenen Montagerings (5) axial und radial positioniert sind.
Rotor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagering (5) eine Anzahl von sich zwischen benachbarten Magneten (4) axial erstreckenden und in Wellenumfangsrichtung (U) äquidistant beabstandeten Positionierstegen (7) aufweist, deren Steglänge (L) kleiner ist als die halbe axiale Segmentlänge (S) der Magnete (4), wobei die Positionierstege (7) paarweise umfangsseitig offene Positionierschächte (10) bilden, in denen die Magnete (4) lediglich mit deren Freienden (8) einliegen.
Rotor (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei an jeweils einem der Freienden (8) der Magnete (4) angeordneten Montageringen (5) mit einander zugewandten Positionierstegen (7), welche paarweise axial gegenüberliegende Positionierschächte (10) bilden, in denen lediglich die jeweiligen Freienden (8) der Magnete (4) einliegen.
Rotor (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierstege (10) in Radialrichtung über deren radiale Steglänge (L) zumindest teilweise keilförmig und mit dem Wellenabschnitt (A) zugewandter Keilspitze (9) ausgebildet sind.
Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ringdicke (R) des Montagerings (5) kleiner ist als die radiale Dicke (D) der Magnete (4).
Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenabschnitt (A) der Rotorwelle (3) eine Umfangsnut (6) aufweist, in welcher ein Sicherungsring zur axialen Sicherung des Montagerings (5) einsitzt oder einsetzbar ist.
Elektrische Maschine (1) mit in einem Maschinengehäuse (11), einem eine Drehfeldwicklung aufweisenden Stator (12) und mit einem Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.