DE102013218829A1 - Rotor für eine elektrische Maschine, Verfahren zum Herstellen eines Rotors sowie elektrische Maschine - Google Patents

Rotor für eine elektrische Maschine, Verfahren zum Herstellen eines Rotors sowie elektrische Maschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (8) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere für einen elektrischen Motor, umfassend ein aus Blechen (16) geschichteten Blechpaket (18). In den Blechen (16) sind Magnet-Ausnehmungen (20) ausgebildet, in welchen Magnete (2) integriert sind. Im Hinblick auf eine einfache Konstruktion mit einer dreidimensionalen Flussführung sind zwischen den Magnet-Ausnehmungen (20) Taschen (24) ausgebildet, die dreidimensionale flussleitende Inlays (26) enthalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors sowie eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, mit einem Stator und einem Rotor.
  • Permanentmagneterregte Synchronmaschinen werden seit geraumer Zeit im weiten Spektrum der drehzahlveränderbaren Antriebe eingesetzt. Der Erfolg der permanentmagneterregten Synchronmaschinen ist eng an die Entwicklung der Seltenerde-Magnete geknüpft, mit denen kompakte Synchronmaschinen hoher Drehmomentdichte entwickelt werden konnten.
  • In sehr hohen Stückzahlen werden permanentmagneterregte Synchronmotoren bei Stell- und Positionierantrieben, so z.B. bei Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern, in Form von Servomotoren eingesetzt. Zunehmend kommen permanentmagneterregte Synchronmotoren aber auch bei Hauptantrieben zum Einsatz, so z.B. bei Werkzeugmaschinen als Hauptspindel und bei hochwertigen Antrieben im sogenannten allgemeinen Maschinenbau.
  • Wegen der unklaren Verfügbarkeit der Seltenerde-Magnete und der deutlich ungünstigen Preisstellung bei Seltenerde-Magneten ist es zunehmend notwendig nach Alternativen zu suchen. Eine Alternative ist der Einsatz von Ferrit-Magneten, für die keine Ressourcenprobleme bestehen. Wegen der deutlich schlechteren magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu Seltenerde-Magneten ist es jedoch notwendig, die Ferrit-Magnete in den Blechschnitt zu integrieren. Das aktuelle Läufer- oder Rotordesign sieht vor, dass einzelne Ferrit-Magnete und permeable Segmente um eine amagnetische Welle gruppiert und z.B. mittels einer Bandage oder Hülse zusammengefasst werden. Die amagnetische Welle kann alternativ auch mit Schwalbenschwanz-Anführungen ausgeführt werden, in die entsprechend passend die permeablen Segmente formschlüssig eingepasst werden.
  • Die Ferrit-Magnete erstrecken sich bei einer solchen Anordnung von der amagnetischen Rotorwelle radial nach außen und bilden somit eine sogenannte V-Anordnung. Ein wesentlicher Nachteil der V-Anordnung der Ferrit-Magnete sind die permeablen Streustege, die einen deutlichen Anteil des Permanentmagnetenflussläufers intern „kurzschließen“.
  • Bei den permeablen Rotorsegmenten kann es sich um paketiertes Elektroblech, aber auch um Formteile aus Pulververbundwerkstoff – z.B. aus SMC (Soft Magnetic Composite)-Material – handeln.
  • Aus der WO 2003/088450 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, zu entnehmen, mit einem Rotorkörper und mit in Rotordrehrichtung um insbesondere gleiche Polteilung versetzt angeordnete Permanentmagnete, die in dem Rotorkörper integriert sind. Der Rotorkörper ist dabei ein die Permanentmagnete umschließendes, einstückiges Eisenpulverpressteil. Das Eisenpulverpressteil besteht vorzugsweise aus SMC-Material mit großer relativer Permeabilität.
  • Der Einsatz von SMC-Rotorsegmenten hat den Vorteil, dass eine wirksame Flusskonzentration durch ein längeres Rotoraktivteil erreicht wird. Da SMC-Formteile den magnetischen Fluss dreidimensional führen können, ist dieser Flusskonzentrationseffekt leicht realisierbar. Ein großer Nachteil ist allerdings, dass die SMC-Formteile einzeln mit den Ferrit-Magneten und der amagnetischen Welle zu einem stabilen Läufer gefasst werden müssen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor anzugeben, der einerseits konstruktiv einfach ist und andererseits eine dreidimensionale Flussführung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, umfassend ein aus Blechen geschichtetes Blechpaket, wobei in den Blechen Magnet-Ausnehmungen ausgebildet sind, in welchen Magnete integriert sind und wobei zwischen den Magnet-Ausnehmungen Taschen ausgebildet sind, die dreidimensionale flussleitende Inlays enthalten.
  • Die Erfindung basiert auf der Überlegung einen segmentierten Rotoraufbau zu vermeiden, indem durch die Bleche eine Art Rahmen gebildet wird, in welchen Inlays integriert werden. Die Rotorbleche weisen dabei Ausstanzungen sowohl für die Magnete als auch für die Inlays auf, welche Ausstanzungen weiterhin als Magnet-Ausnehmungen bzw. als Taschen bezeichnet werden. Je nach Baugröße beträgt hierbei die Inlayfläche mindestens 20% der Fläche eines Bleches. Insbesondere sind dabei durch das Blechmaterial um die Taschen für die SMC-Inlays Stege (auch als Streustege bezeichnet) oder Streben gebildet, deren Wandstärke sich in Abhängigkeit von dem Inlay-Querschnitt ergibt.
  • Eine solche Anordnung ermöglicht einen einfachen Aufbau des Rotors, bei dem eine möglichst hohe Flusskonzentration gegeben ist. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass auf Befestigungsmittel um den Umfang des Blechpakets, wie z.B. Bandagen oder Hülsen, verzichtet wird.
  • Die Inlays können hierbei als Flussleitelemente aus einem Pulververbundwerkstoff ausgestaltet sein, die auf geeignete Weise im Rotor integriert sind, oder sie können alternativ aus massiven Eisenkörpern gefertigt sein.
  • Bevorzugt sind die Inlays aus einem SMC (Soft Magnetic Composite)-Material mit einer großen relativen Permeabilität ausgebildet. Weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe (SMC) sind z.B. in der WO 2004/112062 A2 beschrieben. Bei der Herstellung der SMC-Materialen werden sehr kleine Partikel aus weichmagnetischem Material mit einer Isolierschicht überzogen und anschließend verpresst. Mit einem im Rotor eingebauten SMC-Material kann die Problematik der dreidimensionalen Flussführung unkompliziert gelöst werden. Beim SMC werden intralamellare Wirbelströme stark gedämpft, das Material zeichnet sich also durch sehr geringe Wirbelstromverluste aus. Gegenüber Elektroblechen zeichnet sich das SMC-Material durch eine axiale Flussführung aus, die bei Elektroblechen durch eine gegenseitige Isolierung behindert ist.
  • Die Konstruktion des Rotors wird durch eine Reduzierung der Anzahl der Rotorbauteile zusätzlich vereinfacht, indem nach einer bevorzugten Ausführungsvariante in jeder Tasche ein einteiliges Inlay integriert ist.
  • Vorteilhafterweise sind die Inlays vorgefertigte, einstückige Teile, die in die Tasche hineingesteckt werden. Alternativ werden die Inlays bevorzugt per Spritzgußtechnik in die Taschen gespritzt.
  • Zweckdienlicher weise sind in den Magnet-Ausnehmungen Ferrit-Magnete angeordnet, die sich gegenüber Seltenerde-Magnete durch eine bessere Verfügbarkeit und deutlich niedrigere Kosten auszeichnen.
  • Aus Gründen der Festigkeit und/oder Stanzbarkeit können die Stege im Bereich der Magnet-Ausnehmungen nicht beliebig dünn ausgeführt werden. Im Hinblick auf einen möglichst kleinen Streufluss durch die Stege sind daher die Magnet-Ausnehmungen bevorzugt radial nach innen oder radial nach außen hin offen. Eine solche Konstruktion ist in der DE-Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer 102013218769.6 ausführlich beschrieben. Durch eine Wechselpaketierung von Blechen mit radial nach innen offenen Magnet-Ausnehmungen und Blechen mit radial nach außen offenen Magnet-Ausnehmungen werden die magnetisch wirksamen Streustege verkleinert und die Streuflüsse werden reduziert.
  • Um einen zusätzlichen Streufluss über die Rotorwelle zu vermeiden, ist die Rotorwelle vorzugsweise mindestens im Bereich des Blechpaketsitzes amagnetisch, insbesondere ist die gesamte Rotorwelle aus einem amagnetischen Werkstoff ausgebildet.
  • Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, gemäß einer der obigen Ausführungen.
  • Die Aufgabe wird zudem erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor gemäß einer der obigen Ausführungen.
  • Der Rotor der elektrischen Maschine ist vorzugsweise länger als der Stator ausgeführt. Grundsätzlich kann der Bereich der Wickelköpfe ohne Motorverlängerung genutzt werden, denn über die Inlays ist eine wirksame Flusskonzentration möglich.
  • Die in Bezug auf den Rotor bereits angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Herstellungsverfahren sowie die elektrische Maschine übertragen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen stark vereinfacht:
  • 1 einen Schnitt durch eine elektrische Maschine,
  • 2 eine Draufsicht auf eine erste Blechausführung mit Taschen für dreidimensionale flussleitende Inlays,
  • 3 eine Draufsicht auf eine zweite Blechausführung, und
  • 4 eine Draufsicht auf eine dritte Blechausführung.
  • Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
  • In 1 ist eine elektrische Maschine 2 mit einem Stator 4 und einem an einer amagnetischen Welle 6 angeordneten Rotor 8 gezeigt. Der Stator 4 setzt sich aus einem Stator-Blechpaket 10 und Wicklungen 12 zusammen. Im Rotor 8 sind Ferrit-Magnete 14 integriert. Durch die Pfeile F ist eine Flusskonzentration angedeutet, die durch ein Rotor-Aktivteil mit Länge L‘, welches länger ist als ein Stator-Aktivteil mit Länge L, erreicht ist.
  • In 2 ist ein Blech 16 für den Rotor 8 gemäß 1 gezeigt. Aus mehreren solchen hintereinander gestapelten Blechen 16 wird ein Blechpaket 18 erzeugt, welches an der amagnetischen Welle 6 angeordnet ist.
  • Das Blech 16 weist Magnet-Ausnehmungen 20 auf, in welchen Ferrit-Magnete 22 integriert sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnet-Ausnehmungen 20 rechteckig. Die Länge der Magnet-Ausnehmungen 20 und damit die Länge der einsetzbaren Ferrit-Magnete 22 ist größer als die halbe Polbreite. Insbesondere erstrecken sich die Magnet-Ausnehmungen 20 beinahe über die gesamte radiale Breite des Bleches 16. Die Magnet-Ausnehmungen 20 sind im Wesentlichen sternförmig angeordnet.
  • Zwischen den Magnet-Ausnehmungen 20 sind Taschen 24 ausgebildet, in welchen Inlays 26 gesteckt sind (in 3 durch schraffierte Flächen angedeutet). Die Inlays 26 sind einteilige Flussleitelemente aus einem Pulververbundwerkstoff, insbesondere aus einem SMC-Werkstoff. Die SMC-Inlays 26 sind dabei deutlich größer als die Ferrit-Magnete 22.
  • Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform des Bleches 16 sind die Magnet-Ausnehmungen 20 von den Taschen 24 durch radiale Streben 28 aus dem Blechmaterial getrennt. Die Magnet-Ausnehmungen 20 und die Taschen 24 sind zudem am inneren und äußeren Umfang des Bleches 16 durch innere Streustege 30 und äußere Streustege 32 begrenzt.
  • Im Unterschied dazu wird gemäß 3 auf die äußeren Streustege 32 im Bereich der Magnet-Ausnehmungen 20 verzichtet, so dass die Magnet-Ausnehmungen 20 radial nach außen offen sind. Es sind lediglich die inneren Streustege 30 im Bereich der Magnet-Ausnehmungen 20 vorhanden.
  • Gemäß 4 sind wiederum nur die äußeren Streustege 32 vorgesehen, so dass die Magnet-Ausnehmungen 20 radial nach innen offen sind.
  • Bei einem Rotor-Blechpaket 18, bei dem die Bleche 16 gemäß 3 und 4 abwechselnd hintereinander angeordnet sind, werden bei einer ausreichende Festigkeit die magnetische Streustege verkleinert und die Streuflüsse reduziert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2003/088450 A1 [0007]
    • WO 2004/112062 A2 [0014]
    • DE 102013218769 [0018]

Claims (12)

  1. Rotor (8) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere für einen elektrischen Motor, umfassend ein aus Blechen (16) geschichtetes Blechpaket (18), wobei in den Blechen (16) Magnet-Ausnehmungen (20) ausgebildet sind, in welchen Magnete (22) integriert sind und wobei zwischen den Magnet-Ausnehmungen (20) Taschen (24) ausgebildet sind, die dreidimensionale flussleitende Inlays (26) enthalten.
  2. Rotor (8) nach Anspruch 1, wobei die Inlays (26) aus einem SMC (Soft Magnetic Composite)-Material mit einer großen relativen Permeabilität ausgebildet sind.
  3. Rotor (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in jeder Tasche (24) ein einteiliges Inlay (26) integriert ist.
  4. Rotor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Magnet-Ausnehmungen (20) Ferrit-Magnete (22) angeordnet sind.
  5. Rotor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taschen (24) für die Inlays (26) radial durch Stege (30, 32) aus dem Blechmaterial begrenzt sind.
  6. Rotor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnet-Ausnehmungen (20) radial nach innen oder radial nach außen hin offen sind.
  7. Rotor (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine amagnetische Welle (6).
  8. Verfahren zum Herstellen eines Rotors (8) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere für einen elektrischen Motor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Inlays (26) vorgefertigte, einstückige Teile sind, die in die Taschen (24) hineingesteckt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Inlays (26) per Spritzgußtechnik in die Taschen (24) gespritzt werden.
  11. Elektrische Maschine (2) mit einem Stator (4) und einem Rotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  12. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 11, wobei der Rotor (8) länger als der Stator (4) ausgeführt ist.
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