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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Elektromotors.
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Aus der
DE 34 29 813 A1 ist ein Elektromotor bekannt, der einen Stator und einen relativ zum Stator um eine parallel zu einer Axialrichtung verlaufende Rotationsachse drehbar angeordneten Rotor aufweist. Ferner sind mehrere Permanentmagnete vorgesehen, die in Aufnahmetaschen des Rotors eingesetzt sind und darin mittels einer Fixiermasse fixiert sind. Als Fixiermasse wird dabei ein Gießharz verwendet.
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Im Betrieb eines derartigen Elektromotors kann es je nach Leistung des Elektromotors insbesondere in den Permanentmagneten zu einer vergleichsweise hohen Temperaturentwicklung kommen. Bei besonders hohen Belastungen können die dabei auftretenden Temperaturen auch in Temperaturbereiche gelangen, in denen eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete erfolgt. Hierdurch reduziert sich die Leistungsfähigkeit des Elektromotors, da diese Entmagnetisierungen irreversibel sind. Gerade bei Fahrzeuganwendungen kommt es häufig vor, dass der verwendete Elektromotor an seiner Leistungsgrenze betrieben wird, so dass die Gefahr einer derartigen Wärmeentwicklung im Elektromotor vergleichsweise häufig gegeben ist. Die Elektromotoren sind dadurch einem hohen Verschleiß bzw. einer raschen Alterung ausgesetzt.
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Um die Permanentmagnete bei den auftretenden Temperaturen vor einer Entmagnetisierung besser schützen zu können, ist es grundsätzlich möglich, höherwertige Legierungen zum Erzeugen der Permanentmagnete zu verwenden. Beispielsweise werden vergleichsweise preiswerte NdFeB-Magnete mit Hilfe zusätzlicher Legierungselemente, wie z. Bsp. Dy oder Tb, hinsichtlich ihrer Temperatur stabilisiert. Diese zusätzlichen Legierungselemente, wie z. Bsp. Dy oder Tb, sind dabei vergleichsweise teuer, so dass die damit temperaturstabilisierten Permanentmagnete vergleichsweise teuer sind. Teure Permanentmagnete in Elektromotoren, die in Großserie produziert werden sollen, sind jedoch ungeeignet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Elektromotor der eingangs genannten Art bzw. für ein dazugehöriges Herstellungsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine höhere Temperaturbeständigkeit auszeichnet, wobei vergleichsweise preiswerte Permanentmagnete verwendet werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Permanentmagnete in der jeweiligen Aufnahmetasche unmittelbar flächig mit einer Begrenzungswand der Aufnahmetasche zu kontaktieren, so dass sie daran unmittelbar zur Anlage kommen. Durch den körperlichen Kontakt zwischen den metallischen Permanentmagneten und besagter metallischer Begrenzungswand erfolgt ein verbesserter Wärmeübergang zwischen Permanentmagnet und Begrenzungswand, also je nach Anordnung der Aufnahmetasche bzw. der Permanentmagnete zwischen Permanentmagnet und Rotor bzw. Stator. Der Stator bzw. der Rotor lässt sich vergleichsweise gut kühlen bzw. besitzt eine vergleichsweise günstige Wärmeabstrahlung in die Umgebung. In der Folge lässt sich eine lokale Überhitzung im Bereich der Permanentmagnete durch die vorgeschlagene Maßnahme reduzieren, da sich die in den Permanentmagneten entstehende Wärme über den Rotor bzw. den Stator vergleichsweise einfach abführen lässt.
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Die Erfindung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass die jeweilige Aufnahmetasche bei herkömmlicher Bauweise zweckmäßig einen Innenquerschnitt aufweist, der größer ist als ein Außenquerschnitt des jeweiligen Permanentmagneten, wodurch es leicht möglich ist, den jeweiligen Permanentmagneten während der Montage mit Radialspiel in die jeweilige Aufnahmetasche axial einzusetzen. Hierdurch ergeben sich für die einzelnen Permanentmagnete rein zufällige und willkürliche Relativlagen innerhalb der zugehörigen Aufnahmetasche, die anschließend mit Hilfe der Fixiermasse fixiert werden. Regelmäßig treten dabei Lücken und Abstände bzw. Spalte zwischen den Permanentmagneten und den Begrenzungswänden der Aufnahmetasche auf. Insbesondere kommt es dabei selten und regelmäßig nie bei allen Permanentmagneten zu einer flächigen Kontaktierung mit einer solchen Begrenzungswand. Durch die Erfindung wird eine gezielte flächige Kontaktierung der Permanentmagnete mit einer solchen Begrenzungswand der Aufnahmetasche bei allen Permanentmagneten erzeugt, wodurch die Wärmeabgabe der Permanentmagnete an den Rotor bzw. an den Stator erheblich verbessert ist.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Elektromotor als Innenläufer ausgestaltet sein, so dass der Stator den innenliegenden Rotor von außen umschließt. Die Permanentmagnete sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform am Rotor angeordnet. Vorzugsweise stehen sie in der jeweiligen Aufnahmetasche dann mit der radial innenliegenden Begrenzungswand der jeweiligen Aufnahmetasche in Kontakt. Mit anderen Worten, die Permanentmagnete weisen eine flächige Berührung mit der jeweiligen innenliegenden Wand auf. Somit erfolgt der Wärmeübergang direkt in die radial nach innen anschließende, vergleichsweise große Masse des Rotors. Beispielsweise besitzt der Rotor ein Rotorblechpaket, in das die Aufnahmetaschen integriert sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kommt als Fixiermasse ein Klebstoff oder ein Kunstharz in Betracht. Nach dem Trocknen und Aushärten des Klebstoffs bzw. der Kunstharzmasse liegt dann die Fixierung der Permanentmagnete in den Aufnahmetaschen am Rotor bzw. Stator vor.
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Vorteilhaft ist auch hier eine Ausführungsform, bei welcher der jeweilige Permanentmagnet senkrecht zur Axialrichtung einen kleineren Querschnitt aufweist als die zugehörige Aufnahmetasche. Diese Maßnahme vereinfacht das axiale Einführen der Permanentmagnete in die Aufnahmetaschen.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete vor und während dem Einbringen der Fixiermasse an der jeweiligen Begrenzungswand zur Anlage gebracht werden. Mit anderen Worten, während des Einbringens und während des Trocknens bzw. Aushärtens der Fixiermasse werdend die Permanentmagnete an der jeweiligen Begrenzungswand der zugehörigen Aufnahmetasche flächig zur Anlage gebracht bzw. zur Anlage gehalten. Hierdurch ist sichergestellt, dass beim Einbringen der Fixiermasse kein Spalt zwischen dem jeweiligen Permanentmagneten und der jeweiligen Begrenzungswand auftritt, in den die Fixiermasse eindringen könnte.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Permanentmagnete durch Aufbringen einer Andrückkraft an der jeweiligen Begrenzungswand zur Anlage gebracht werden, wobei das Aufbringen der Andrückkraft erst nach der Fixierung der Permanentmagnete mittels der Fixiermasse beendet wird. Also erst dann, wenn die Fixiermasse hinreichend getrocknet bzw. ausgehärtet ist, wird das Aufbringen der Andrückkraft beendet, da erst dann die Gefahr einer Spaltbildung reduziert ist. Es ist klar, dass eine ausreichende Fixierung zu diesem Zweck bereits dann vorliegt, wenn die Fixiermasse durch den fortschreitenden Trocknungs- bzw. Aushärtprozess bereits eine so hohe Viskosität besitzt, dass sich der jeweilige Permanentmagnet nicht mehr von der Begrenzungswand entfernen kann.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können die Permanentmagnete mittels Magnetkraft an der jeweiligen Begrenzungswand zur Anlage gebracht werden. Eine derartige Magnetkraft lässt sich besonders einfach realisieren, um die Permanentmagnete gegen die jeweilige Begrenzungswand anzudrücken. Beispielsweise kann hierzu ein Permanentmagnet zum Einsatz kommen, der mit entsprechender Polung am Rotor bzw. am Stator so angeordnet wird, dass innerhalb der jeweiligen Aufnahmetasche der jeweilige Permanentmagnet an die vorgesehene Begrenzungswand angedrückt bzw. angezogen wird. Ebenso ist es möglich, diese Magnetkraft mittels eines Elektromagneten zu erzeugen, der hierzu auf geeignete Weise am Rotor bzw. am Stator angeordnet wird. Zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher durch eine entsprechende Magnetkrafterzeugung gleichzeitig sämtliche Permanentmagnete innerhalb der jeweiligen Aufnahmetasche an die jeweils vorgesehene Begrenzungswand flächig angedrückt bzw. angezogen werden.
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Vorteilhaft erfolgt erst nach dem Fixieren der Permanentmagnete in den Aufnahmetaschen am Rotor bzw. am Stator eine entsprechende Magnetisierung der Permanentmagnete. Mit anderen Worten, das Einsetzen und Fixieren der Permanentmagnete in den Aufnahmetaschen erfolgt in einem noch nicht magnetisierten Zustand. Dies ist von enormen Vorteil für die Serienfertigung, da sich zum einen die noch nicht magnetisierten Permanentmagnete sehr viel einfacher handhaben lassen, insbesondere wenn es darum geht, diese in die Aufnahmetaschen einzuführen, die z. B. in einem Blechpaket des Stators oder des Rotors ausgebildet sind. Des Weiteren ziehen die noch nicht magnetisierten Permanentmagnete sehr viel weniger eisenhaltigen Schmutz an, was eine saubere Fertigung vereinfacht.
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Somit erfolgt die Magnetisierung der Permanentmagnete zweckmäßig nach der Komplettierung des Rotors bzw. des Stators, um auch hier möglichst lange das Handling des Stators bzw. des Rotors zu vereinfachen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen Querschnitt eines Elektromotors,
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2 bis 5 jeweils einen Querschnitt durch einen Rotor des Elektromotors, bei verschiedenen Herstellungszuständen.
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Entsprechend 1 umfasst ein hier nur teilweise dargestellter Elektromotor 1, bei dem es sich vorzugsweise um einen Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeugs handelt, einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Rotor 3 ist dabei in üblicher Weise um eine hier nicht gezeigte, senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Rotationsachse relativ zum Stator 2 drehbar angeordnet. Ferner sind mehrere Permanentmagnete 4 vorgesehen, die in Aufnahmetaschen 5 eingesetzt sind und darin mittels einer Fixiermasse 6 fixiert sind. Im Beispiel der 1 ist nur ein Permanentmagnet 4 erkennbar. Ebenso ist nur eine Aufnahmetasche 5 erkennbar, in welche der Permanentmagnet 4 eingesetzt ist. Es ist klar, dass in einer in den 1 bis 5 durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umfangsrichtung 7 mehrere derartige Aufnahmetaschen 5 entlang des Umfangs des Rotors 3 bzw. des Stators 2 verteilt angeordnet sind. Folglich sind dann auch mehrere Permanentmagnete 4 vorhanden. In jeweils einer Aufnahmetasche 5 ist wenigstens jeweils ein Permanentmagnet 4 angeordnet. Auch ist denkbar, in einer einzigen Aufnahmetasche 5 mehrere Permanentmagnete 4 axial hintereinander anzuordnen. Die Axialrichtung ist dabei durch die Rotationsache definiert. Im Beispiel der 1 bis 5 sind die Permanentmagnete 4 und die Aufnahmetaschen 5 am Rotor 3 angeordnet. Es ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform die Permanentmagnete 4 und die Aufnahmetaschen 5 am Stator 2 angeordnet sein können. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der sowohl am Rotor 3 als auch am Stator 2 Permanentmagnete 4 in Aufnahmetaschen 5 angeordnet sein können.
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Der Elektromotor 1 ist bevorzugt als permanent erregter Synchronmotor konfiguriert. Vorzugsweise handelt es sich um einen Innenläufer, so dass der Rotor 3 radial innenliegend angeordnet ist, während der Stator 2 radial außenliegend angeordnet ist und den Rotor 3 umschließt. Die Radialrichtung ist dabei auf die Rotationsachse bezogen.
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Im fertig hergestellten Elektromotor 1 stehen die Permanentmagnete 4 in der jeweiligen Aufnahmetasche 5 mit einer Begrenzungswand 8 der jeweiligen Aufnahmetasche 5 unmittelbar und flächig in Kontakt. Im gezeigten Beispiel der 1 bis 5 ist der Elektromotor 1 rein exemplarisch als Innenläufer konzipiert, bei dem der radial innenliegende Rotor 3 mit den Permanentmagneten 4 ausgestattet ist. In diesem Fall stehen die Permanentmagnete 4 mit der radial innenliegenden Begrenzungswand 8 der Aufnahmetasche 5 unmittelbar flächig in Kontakt, während in der Regel zu einer radial außenliegenden Begrenzungswand 9, die der innenliegenden Begrenzungswand 8 radial gegenüber liegt, kein unmittelbarer Kontakt vorliegt.
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Die Fixiermasse 6 ist vorzugsweise ein Klebstoff oder ein Kunstharz, das nach dem Aushärten oder Trocknen durch Adhäsion und/oder Formschluss den jeweiligen Permanentmagneten 4 innerhalb der jeweiligen Aufnahmetasche 5 am Rotor 3 bzw. am Stator 2 fixiert. Erkennbar besitzt der jeweilige Permanentmagnet 4 zweckmäßig einen kleineren Querschnitt als die zugehörige Aufnahmetasche 5, wodurch das axiale Einsetzen des jeweiligen Permanentmagneten 4 in die Aufnahmetasche 5 erheblich vereinfacht wird. Die hier wiedergegebenen Größenverhältnisse sind dabei jedoch nicht maßstäblich, sondern nur schematisch zu verstehen. Der jeweilige Querschnitt ist dabei senkrecht zur Axialrichtung zu betrachten.
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Im Betrieb des Elektromotors 1 entsteht durch Wirbelströme innerhalb der Permanentmagnete 4 Wärme, die durch den direkten Kontakt mit der jeweiligen Begrenzungswand 8 unmittelbar an den Rotor 3 bzw. bei einer anderen Ausführungsform an den Stator 2 abgegeben werden kann. Hierdurch lässt sich die Gefahr einer Erhitzung der Permanentmagnete 4 bis in einen Temperaturbereich hinein reduzieren, in dem eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete 4 stattfinden kann.
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Die Herstellung des Elektromotors 1 kann gemäß den 2 bis 5 im Wesentlichen wie folgt ablaufen:
Zunächst wird der jeweilige, in diesem Stadium der Herstellung noch nicht magnetisierte Permanentmagnet 4 in die zugehörige Aufnahmetasche 5 eingesetzt. Üblicherweise erfolgt das Einsetzen der in der Regel stabförmigen Permanentmagnete 4 in die Aufnahmetaschen 5 bei stehend angeordnetem Rotor 3 (bzw. Stator 2). Hierdurch ergibt sich für die Permanentmagnete 4 innerhalb der jeweiligen Aufnahmetasche 5 eine mehr oder weniger zufällige Relativlage, was in 2 angedeutet ist.
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In einem nächsten Schritt des Verfahrens wird gemäß 3 vorzugsweise mit Hilfe einer Magneteinrichtung 10 eine Magnetkraft bzw. eine magnetische Andrückkraft bzw. Anziehungskraft 11 generiert, die hier in 3 durch Pfeile angedeutet ist und die den noch immer nicht magnetisierten Permanentmagneten 4 gegen die gewünschte Begrenzungswand 8, hier die innenliegende Begrenzungswand 8 andrückt bzw. anzieht, wodurch die gewünschte flächige Anlage zwischen Permanentmagnet 4 und Begrenzungswand 8 erreicht wird. Hierdurch wird der Permanentmagnet 4 innerhalb der Aufnahmetasche 5 in gewünschter Weise hinsichtlich seiner Relativlage positioniert. Wichtig ist dabei die Erzielung einer möglichst großflächigen Kontaktierung zwischen dem Permanentmagnet 4 und der gewünschten Begrenzungswand 8.
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Die Magneteinrichtung 10, die zum Erzeugen der magnetischen Andrückkraft 11 verwendet wird, kann dabei durch einen Permanentmagneten oder durch einen Elektromagneten gebildet sein.
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Gemäß 4 kann in einem nächsten Schritt des Verfahrens die Fixiermasse 6 in die jeweilige Aufnahmetasche 5 eingebracht werden. Zumindest beim Einbringen der Fixiermasse 6 wird die Andrückkraft bzw. Anziehungskraft 11 aufrecht erhalten, um die gewünschte Positionierung des Permanentmagneten 4 in der Aufnahmetasche 5 beizubehalten. Erst wenn die Fixiermasse 6 hinreichend ausgehärtet oder getrocknet ist, derart, dass eine Spaltbildung zwischen Permanentmagnet 4 und der damit in Kontakt stehenden Begrenzungswand 8 nicht mehr zu erwarten ist, wird das Aufbringen der Andrückkraft 11 beendet. Dann liegt der Zustand gemäß 5 vor.
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Im Zustand gemäß 5 ist es nach dem Fixieren der Permanentmagnete 4 in den Aufnahmetaschen 5 am Rotor 3 bzw. gemäß einer anderen Ausführungsform am Stator 2 zweckmäßig, die Permanentmagnete 4 zu magnetisieren. Dies erfolgt in der Regel durch eine entsprechende thermische Behandlung in Verbindung mit der Beaufschlagung eines entsprechenden Magnetfeldes. Da die Permanentmagnete 4 in der Regel aus einer anderen Legierung bestehen als der Rotor 3 erfolgt dabei nur eine Magnetisierung der Permanentmagnete 4 und nicht des Rotors 3. Der Rotor 3 besitzt bspw. einen Rotorkörper 12, der durch ein Blechpaket gebildet sein kann, in dem eine Vielzahl einzelner Rotorbleche in der Axialrichtung aufeinander gestapelt ist. Analog dazu kann auch der Stator 2 einen Statorkörper 13 aufweisen, der als Blechpaket ausgestaltet sein kann, in dem eine Vielzahl von Statorblechen in der Axialrichtung aufeinander gestapelt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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