DE102014104677A1

DE102014104677A1 - Rotorteil zur Befestigung an der Welle eines rotierenden Elektromotors, Rotor mit Rotorteil, und Verfahren zur Herstellung eines rotierenden Elektromotors und eines Rotors

Info

Publication number: DE102014104677A1
Application number: DE102014104677.3A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Arimatsu Yohei
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: CN203896069U; US10177619B2; US9583984B2; JP2014212680A; CN104104166A; CN107565724A; US20140300233A1; DE102014104677B4; JP5689550B2; CN107565724B; CN104104166B; US20170054337A1

Abstract

Ein Rotorteil 300 enthält eine rohrförmige Hülse 301, die eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche hat, eine Anzahl Magnetsegmente 311, die entlang des Umfangs an einer radialen Außenseite der Hülse 301 angeordnet sind, und ein rohrförmiges Teil 321, das dafür ausgelegt ist, die Magnetsegmente 311 radial von außen zu bedecken, damit die Magnetsegmente 311 zwischen dem rohrförmigen Teil 321 und der Hülse 301 gehalten werden. Die Hülse 301 hat eine innere Umfangsfläche, die eine sich verjüngende Fläche umfasst, die sich allmählich in radialer Richtung nach außen erweitert, und zwar in einer Richtung von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Rotorteil, das an einer Welle einer rotierenden elektrischen Maschine befestigt ist, einen Rotor, der das Rotorteil enthält, und ein Verfahren zum Herstellen der rotierenden elektrischen Maschine und des Rotors.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Dreht sich ein Elektromotor, bei dem Permanentmagnete im Läufer verwendet werden, mit hoher Drehzahl, so muss der Elektromotor verstärkt werden, damit er der Zentrifugalkraft widersteht, die bei hohen Drehzahlen erzeugt wird, und zwar hinsichtlich der Festigkeit der Permanentmagnete und der Befestigungsstruktur der Magnete. Im Allgemeinen wird als Verstärkungsstruktur zum Abdecken der Permanentmagnete eine Hülse verwendet, die beispielsweise aus Carbonfaser oder Titan besteht. In der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 11-89142 ist beispielsweise ein schnelllaufender Synchronmotor offenbart, der mit ringförmigen Magneten versehen ist und dessen Außenrand durch carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFRP) verstärkt ist.
Die in der genannten Patentliteratur 1 offenbarten ringförmigen Magnete unterliegen Einschränkungen hinsichtlich einer Vergrößerung durch Herstellungsbeschränkungen, wodurch es schwierig ist, einen größeren Elektromotor bereitzustellen, der ein höheres Drehmoment liefert. Werden die ringförmigen Magnete auf einen magnetischen Ring gesetzt und an einer Welle mit einem kräftigem Presssitz befestigt, um ein Lösen bei hohen Drehzahlen zu verhindern, so können die ringförmigen Magnete brechen, und zwar durch die Ausdehnung des magnetischen Rings aufgrund des starken Presssitzes.
Wählt man hingegen den Presssitz so, dass die ringförmigen Magnete nicht brechen, so ist der Presssitz für die Magnete und den magnetischen Ring zu schwach. Dadurch können die Magnete und der magnetische Ring durchrutschen, und es entsteht ein unzureichendes Drehmoment im Bereich hoher Drehzahlen oder ein Versagen bei hohen Drehzahlen.
Zudem wird bei dem genannten in der Patentliteratur 1 offenbarten Verfahren das Rotorteil an der Welle mit einem so genannten ”Öldruckzusammensetzen” befestigt. Der Einsatz dieses Verfahrens erfordert eine komplizierte und umfangreiche Herstellungsvorrichtung mit komplexen und schwierigen Vorgängen. Dadurch entsteht das Problem einer verringerten Wirksamkeit der Fertigung. Zudem ist für das Öldruckzusammensetzen ein Loch in dem magnetischen Ring (Rotorhülse) erforderlich, damit Öldruck von außen zwischen den magnetischen Ring und die Welle geführt wird. Bei einem Betrieb mit hohen Drehzahlen entsteht eine Spannungskonzentration in der Nähe des Lochs, und die maximale Spannung verhindert, dass die höchstmögliche Drehzahl erreicht wird. Ferner muss das Loch hinsichtlich einer ausgewuchteten Welle exakt ausgewuchtet, angeordnet und ausgebildet werden. Dies erhöht die Herstellungskosten.
In der Patentliteratur 1 ist angegeben, dass das Ölloch durch Bearbeiten entfernt wird, und zwar nach dem Befestigen des Läuferteils und der Welle durch Öldruckzusammensetzen, damit die Spannungskonzentration vermieden wird. Diese Bearbeitung nach dem Vervollständigen des Läufers ist jedoch eine riskante Prozedur, die über das Erweitern eines einfachen Vorgangs hinausgeht. Es muss die magnetische Anziehung der Permanentmagnete während der Bearbeitung beachtet werden und eine mögliche chemische Beschädigung am Läuferkörper selbst, die durch Schneidflüssigkeit verursacht wird. Daher tritt bei einem solchen Vorgang das Problem auf, dass er hohe Kosten verursacht.
Zudem ist in der Patentliteratur 1 angegeben, dass von der Hülse erwartet wird, dass sie auch dann eine Sitzkraft auf die Welle ausübt, wenn die Drehgeschwindigkeit am Außenrand des Rotorteils 250 m/s oder mehr beträgt. Dabei ist beabsichtigt, dass sich das Rotorteil bei der Höchstgeschwindigkeit stabil und ohne Lockerung des Rotorteils, d. h. Durchrutschen, dreht. Ein Elektromotor, der beispielsweise für die Hauptwelle einer Werkzeugmaschine verwendet wird, unterliegt jedoch der wichtigen Anforderung, dass das Rotorteil nicht nur nicht durchrutscht, sondern auch dass ein möglichst großes Schneidedrehmoment erzeugt wird. Die in der Patentliteratur 1 angegebene Beschaffenheit erfüllt die Anforderung nicht, dass bei Ausübung des Schneidelastdrehmoments bei der maximalen Drehzahl das Rotorteil auf seiner Befestigung nicht rutscht. Obgleich ein ähnliches Problem zwischen den Magneten und dem magnetischen Ring auftritt, nennt die Patentliteratur 1 keinerlei Gegenmaßnahmen hierfür. Da bei der Höchstdrehzahl nur die Passungskraft der Hülse gegenüber der Welle bleibt, tritt die Schwierigkeit auf, dass die Magneten und die Hülse unter erhöhter Last in der Drehrichtung gleiten.
Hinsichtlich der beschriebenen Schwierigkeiten ist die Erfindung dafür gedacht, ein Rotorteil und einen Läufer einer elektrischen Maschine bereitzustellen, bei denen die Wirksamkeit der Fertigung verbessert ist, die verhindern, dass Magnete während des Herstellungsvorgangs beschädigt werden, die das Drehmoment und die Leistungsabgabe einer rotierenden elektrischen Maschine erhöhen und die das Drehmoment ohne Versagen auf eine rotierende Welle übertragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Rotorteil gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird mit einem Presssitz an der Welle einer rotierenden elektrischen Maschine befestigt. Das Rotorteil umfasst: eine rohrförmige Hülse, die ein erstes Ende an einer ersten Seite in axialer Richtung hat und ein zweites Ende an einer zweiten Seite in axialer Richtung; eine Anzahl Magnetsegmente, die in Umfangsrichtung radial außerhalb der Hülse angeordnet sind; und ein rohrförmiges Teil, das die Anzahl Magnetsegmente in radialer Richtung von außen bedeckt, damit die Magnetsegmente zwischen dem rohrförmigen Teil und der Hülse gehalten werden. Damit ein Zusammenbau durch Presssitz möglich wird, weist die Hülse eine innere Umfangsfläche auf, die eine sich verjüngende Fläche umfasst, die sich kontinuierlich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung vom ersten zum zweiten Ende. Die innere Umfangsfläche der Hülse enthält keinen Abschnitt, an dem sich der Radius der inneren Umfangsfläche in der Richtung vom ersten zum zweiten Ende verringert. Die Magnetsegmente können in der Umfangsrichtung getrennt sein, und sie können in der axialen Richtung der Welle mehrfach getrennt sein oder auch nicht.
Bevorzugt ist die sich verjüngende Fläche der Hülse eine einzige sich geradlinig verjüngende Fläche, oder sie umfasst eine Anzahl sich geradlinig verjüngender Flächen, die miteinander verbunden sind und gegen eine Drehachse unter jeweils unterschiedlichen Winkeln geneigt sind. Die Hülse hat eine dicke Seite, die durch die sich verjüngende Struktur einen geringeren Durchmesser hat. Die dicke Seite weist bevorzugt einen Endabschnitt auf, damit ein Presswerkzeug während der Herstellung eines Presssitzes ausreichend Druck aufbauen kann. Der Endabschnitt der Hülse ist somit dick. Dies erlaubt es, während der Herstellung eines Presssitzes eine erhöhte Presssitzkraft auf den Endabschnitt auszuüben. Der Endabschnitt der Hülse hat bevorzugt einen Verjüngungswinkel von 0°, so dass der Endabschnitt einen konstanten Innendurchmesser aufweist.
In einer bevorzugten Form weist die innere Umfangsfläche der Hülse eine zylindrische Fläche mit einem konstanten Radius auf und erstreckt sich vom ersten Ende hin zum zweiten Ende über einen gewissen Bereich. Die sich verjüngende Fläche umfasst eine sich geradlinig verjüngende Fläche, die von der zylindrischen Fläche hin zum zweiten Ende verläuft. Zwischen der Hülse und den Magnetsegmenten ist bevorzugt zumindest teilweise ein Spalt ausgebildet. Zudem hat die Hülse einen Außenrand, der bevorzugt zylindrisch ist, und jedes Magnetsegment hat eine innere Umfangsfläche, die bevorzugt kreisbogenförmig ist. Der Krümmungsradius der inneren Umfangsfläche des Magnetsegments ist größer als der Radius der äußeren Umfangsfläche der Hülse.
Die sich verjüngende Fläche erstreckt sich bevorzugt vom ersten Ende zum zweiten Ende. Die sich verjüngende Fläche ist bevorzugt eine sich geradlinig verjüngende Fläche. In diesem Fall ist das bevorzugte Verjüngungsverhältnis der sich geradlinig verjüngenden Fläche 1/200 bis 1/30. Bevorzugt hat die Hülse keine Löcher mit Öffnungen an der inneren Umfangsfläche.
Zwischen der Hülse und den Magnetsegmenten befindet sich bevorzugt eine Bewegungsverhinderungsstruktur, damit eine Relativbewegung zwischen der Hülse und den Magnetsegmenten verhindert wird. Das rohrförmige Teil besteht bevorzugt aus einem Material mit großer spezifischer Festigkeit (Zugfestigkeit je Dichteeinheit) und umfasst Carbonfaser, Glasfaser, nicht magnetisches Metall, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylen-terephthalatfaser. Ein derartiger faserverstärkter Kunststoff (FRP, Fiber Reinforced Plastic) wird auch als Material für das rohrförmige Teil bevorzugt, wobei Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylen-terephthalatfaser verwendet wird. Ein Verbundmaterial aus einer beliebigen Kombination dieser Materialien wird ebenfalls bevorzugt. Das rohrförmige Teil kann nicht magnetisches Metall enthalten.
Ein Rotor gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Welle mit einer äußeren Umfangsfläche, die sich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung von einer ersten Seite in axialer Richtung zu einer zweiten Seite in axialer Richtung, und das beschriebene Rotorteil, in dem die Hülse an der Welle an der radialen Außenseite so befestigt ist, dass das zweite Ende der Hülse an der zweiten Seite in axialer Richtung der Welle bezogen auf das erste Ende der Hülse angeordnet ist. Da für diese Anordnung kein Öldruckzusammensetzen erforderlich ist, sind in der Hülse keine Öllöcher nötig. Damit ist es möglich, Spannungskonzentrationen in der Nähe der Löcher zu vermeiden und vorteilhaft eine erhöhte Höchstdrehzahl bereitzustellen.
Die Hülse wird verformt, damit sie sich durch die Welle radial nach außen dehnt, wenn das Rotorteil an der Welle befestigt wird, so dass die äußere Umfangsfläche der Hülse und die inneren Umfangsflächen der Magnetsegmente einander unter Druck berühren. ”Unter Druck berühren” bedeutet, dass eine Relativbewegung von Elementen durch eine Druckkraft zwischen ihren Flächen verhindert wird. Eine Relativbewegung dieser Elemente kann jedoch zulässig sein, wenn die Druckkraft weggenommen wird. Das Verhindern der Relativbewegung kann weiter bestehen, wenn die Druckkraft weggenommen wird, oder auch nicht.
Im Wesentlichen der gesamte Bereich (beispielsweise mehr als 90 Prozent) der inneren Umfangsfläche der Hülse und der äußeren Umfangsfläche der Welle berühren einander mit den Flächen über die axiale Entfernung, in der das rohrförmige Teil angebracht ist. Diese Anordnung bietet einen breiteren Berührbereich (z. B. einen Bereich von mehr als 90 Prozent) zwischen der inneren Umfangsfläche der Hülse und der äußeren Umfangsfläche der Welle, damit die Presskraft zwischen den Flächen verringert wird. Dadurch kann ein Presssitz zwischen den Flächen einfacher hergestellt werden. Hinsichtlich einer einfachen Demontage kann eine ganz kleine Nut vorhanden sein, mit der Schmieröl an die sich berührenden Flächen geliefert wird. In einer derartigen Anordnung kann der gleiche Wert von mindestens über 90 Prozent auf den Bereich angewendet werden, in dem die Flächen einander berühren und aneinander befestigt sind. Bevorzugt verformt sich die Hülse über ihren elastischen Verformungsbereich hinaus. Eine rotierende elektrische Maschine eines weiteren Aspekts der Erfindung enthält den beschriebenen Rotor.
Bei einer rotierenden elektrischen Maschine im Betrieb, die das Rotorteil enthält, das an der Welle befestigt ist, hat das rohrförmige Teil bevorzugt eine Pressung, bei der das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse und der Welle und zwischen den Magnetsegmenten und der Hülse das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine bei der zulässigen Drehzahl übersteigt.
Für irgendeine ausgeübte Spannungskonzentration ist die Höchstdrehzahl des Rotors durch seine Grenzspannung beschränkt. Daher wird eine Anordnung, die Spannungskonzentrationen erzeugt, bevorzugt nicht verwendet. Damit wird das Loch, das die äußere Umfangsfläche des Rotors und die radial innere Fläche der rotierenden Hülse verbindet, das in der genannten Patentliteratur 1 offenbart ist, bevorzugt nicht bereitgestellt. Das Weglassen des Lochs vermeidet Spannungskonzentrationen und kann die Drehzahl noch weiter erhöhen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorteils, das mit Presssitz an einer Welle zu befestigen ist, enthält gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung den Schritt: Anordnen einer Anzahl Magnetsegmente in der Umfangsrichtung auf einer äußeren Umfangsfläche der rohrförmigen Hülse, die ein erstes Ende an einer ersten Seite in axialer Richtung hat, ein zweites Ende an einer zweiten Seite in axialer Richtung, und eine innere Umfangsfläche, die eine sich verjüngende Fläche umfasst, die sich kontinuierlich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung vom ersten zum zweiten Ende; und das Anordnen eines rohrförmigen Teils zum Bedecken der Anzahl Magnetsegmente von außen in radialer Richtung. Der Schritt des Anordnens des rohrförmigen Teils kann das direkte Wickeln eines Materials des rohrförmigen Teils um die äußere Umfangsfläche der Magnetsegmente umfassen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine, der das rotierende Teil enthält, das mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird, umfasst den Schritt: das Bereitstellen einer Welle, die eine äußere Umfangsfläche in einem Bereich hat, an dem das Rotorteil befestigt wird, wobei sich die äußere Umfangsfläche in der Erstreckungsrichtung von einer ersten Seite in axialer Richtung zu einer zweiten Seite in axialer Richtung radial nach außen erweitert; und das Befestigen des Rotorteils in radialer Richtung außen an der Welle durch einen Presssitz.
Der Schritt des Befestigens des Rotorteils mit einem Presssitz umfasst: das Anbringen der Hülse auf der Welle von der ersten Seite in axialer Richtung, so dass das zweite Ende der Hülse an der zweiten Seite in axialer Richtung gegenüber dem ersten Ende angeordnet wird; das Anbringen der Hülse auf der Welle mit einem Presssitz, indem das erste Ende der Hülse auf die zweite Seite in axialer Richtung geschoben wird; und das Bewirken, dass sich die Hülse durch die Kraft im Presssitz radial nach außen dehnt, wodurch die Hülse im Presssitz an einer vorbestimmten Befestigungsposition angebracht wird.
Bevorzugt enthält das Rotorteil zumindest stückweise einen Spalt zwischen der Hülse und den Magnetsegmenten. Im Befestigungsschritt des Rotorteils durch Presssitz werden die äußere Umfangsfläche der Hülse und die inneren Umfangsflächen der Magnetsegmente in eine flächenhafte Berührung zueinander gebracht, und zwar auf nahezu der gesamten Fläche, indem die Hülse radial nach außen gedehnt wird, damit der Spalt gefüllt wird.
Die äußere Umfangsfläche der Hülse ist bevorzugt zylindrisch, und die innere Umfangsfläche eines jeden Magnetsegments hat die Form eines Kreisbogens. Dabei hat die innere Umfangsfläche des Magnetsegments einen Krümmungsradius, der größer ist als der Radius der äußeren Umfangsfläche der Hülse. Im Befestigungsschritt des Rotorteils durch Herstellen eines Presssitzes werden die äußere Umfangsfläche der Hülse und die inneren Umfangsflächen der Magnetsegmente in eine flächenhafte Berührung zueinander gebracht, indem die Hülse radial nach außen gedehnt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beschriebenen Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale gehen aus der Beschreibung der folgenden bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen hervor.
Es zeigt:
1 eine Schnittansicht eines Elektromotors einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittansicht einer Welle in 1;
3 eine Schnittansicht eines Rotorteils in 1;
4 eine äußere Ansicht des Rotorteils in 1 gesehen aus der axialen Richtung;
5 eine Schnittansicht einer Hülse in 3;
6 eine perspektivische Ansicht eines der Magnetsegmente in 3;
7 eine perspektivische Ansicht eines rohrförmigen Teils in 3;
8 eine graphische Darstellung der Zentrifugalkräfte, die auf die Welle, die Hülse und die Magnetsegmente wirken, des Befestigungsdrehmoments zwischen der Welle und der Hülse und des Befestigungsdrehmoments zwischen der Hülse und den Magnetsegmenten jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors;
9 das Gleichgewicht der Kräfte zwischen dem rohrförmigen Teil, den Magnetsegmenten und der Hülse während des Stillstands des Elektromotors;
10 das Gleichgewicht der Kräfte zwischen dem rohrförmigen Teil, den Magnetsegmenten und der Hülse während der Drehung des Elektromotors;
11 ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens des Rotorteils und des Rotors einer Ausführungsform der Erfindung;
12 ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens des Rotorteils und des Rotors einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
13 den Schritt des Anordnens der Magnetsegmente auf der Hülse;
14 das zusammengebaute Rotorteil;
15 eine teilweise vergrößerte Ansicht von 14;
16 eine Schnittansicht, die einen Befestigungsschritt des Rotorteils an der Welle darstellt;
17 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht von 16;
18 eine Schnittansicht des Rotorteils, das an der Welle befestigt ist;
19 die Statusveränderung des Rotorteils in einem Schritt, in dem das Rotorteil an der Welle befestigt wird;
20 eine vergrößerte Ansicht des Rotorteils einer weiteren Ausführungsform;
21 eine vergrößerte Ansicht des Rotorteils noch einer weiteren Ausführungsform;
22 eine vergrößerte Ansicht des Rotorteils noch einer weiteren Ausführungsform;
23 das Rotorteil noch einer anderen Ausführungsform; und
24 das Rotorteil noch einer anderen Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Weiteren wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Zuerst wird die Anordnung eines Elektromotors 100 einer Ausführungsform der Erfindung mit Hilfe von 1 beschrieben. Man beachte, dass in der folgenden Beschreibung die Richtung entlang der Mittenachse der Welle des Elektromotors 100 als axiale Richtung bezeichnet wird. Die linke Seite in der Zeichnung in 1 wird als axiale Vorderseite bezeichnet, und die rechte Seite wird als axiale Rückseite bezeichnet. Man beachte auch, dass die axiale Vorderseite und die axiale Rückseite in der folgenden Beschreibung zum Zweck einer einfachen und bequemen Darstellung der Erfindung gewählt wurden und nicht dazu dienen, die Richtungen, beispielsweise Vorderseite und Rückseite, des Elektromotors einzuschränken.
Der Elektromotor 100 enthält ein Gehäuse 102, das einen Innenraum 101 bestimmt, einen Ständer 110, der statisch in dem Innenraum 101 des Gehäuses 102 angeordnet ist, und einen Läufer 400, der drehbar an der radialen Innenseite des Ständers 110 angeordnet ist. Der Ständer 110 umfasst einen Ständerkern 103 und eine Spule 104, die auf den Ständerkern 103 gewickelt ist. Der Ständerkern 103 besteht aus geschichteten dünnen Platten, die beispielsweise elektromagnetische Platten sind.
Eine elektrisch mit der Spule 104 verbundene Stromleitung (nicht dargestellt) wird vom Ständer 110 weggeführt. Die Stromleitung ist über ein Durchgangsloch, das im Gehäuse 102 angeordnet ist, mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden, die sich außerhalb des Elektromotors 100 befindet.
Der Läufer 400 umfasst eine Welle 200, die sich axial im Innenraum 101 erstreckt, und ein Rotorteil 300, das fest an der Außenseite der Welle 200 in radialer Richtung angebracht ist.
Die Welle 200 dieser Ausführungsform wird im Weiteren anhand von 2 beschrieben. Die Welle 200 hat die Form eines Rohrs mit einer Mittenachse O₁ und ein Mittenloch 201, das konzentrisch zur Mittenachse O₁ ist. Da der Motor als ein Einbaumotor für eine Hauptwelle einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist, ist die Welle 200 in dieser Ausführungsform mit dem Mittenloch 201 versehen. Die Welle 200 der Erfindung kann jedoch auch anders aufgebaut sein. Die Welle 200 kann aus Vollmaterial bestehen und das Mittenloch 201 nicht aufweisen.
Die Mittenachse O₁ der Welle 200 ist eine Drehachse des Elektromotors 100. Die Welle 200 ist an ihrer axialen Vorderseite über ein Lager (nicht dargestellt), das in die vordere Seitenwand des Gehäuses 102 eingebaut ist, im Gehäuse 102 drehbar aufgenommen. In ähnlicher Weise ist die Welle 200 an ihrer axialen Rückseite über ein Lager (nicht dargestellt), das in die hintere Seitenwand des Gehäuses 102 eingebaut ist, im Gehäuse 102 drehbar aufgenommen.
Die Welle 200 hat eine sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202, die sich gesehen von der axialen Rückseite hin zur axialen Vorderseite radial nach außen erweitert. Die Welle 200 weist einen axialen Vorderseitenabschnitt 203 auf und eine Stufe 204, die ein Beispiel für einen Anschlag sind, der leicht zu fertigen ist. Die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 erstreckt sich fortlaufend von dem axial rückwärtigen Ende 205 zum axial vorderen Ende 206. Eine zylindrische äußere Umfangsfläche 207, die sich geradlinig in axialer Richtung erstreckt, befindet sich an der axialen Rückseite des axialen rückwärtigen Endes 205 der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202.
Die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 kann bevorzugt eine sich geradlinig verjüngende Fläche enthalten, d. h. eine konische Fläche. Bei einer derartigen Anordnung nimmt der Radius der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 linear und allmählich vom axial rückwärtigen Ende 205 zum axial vorderen Ende 206 zu. Die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 kann bevorzugt eine sich geradlinig verjüngende Fläche mit einem Verjüngungsverhältnis von 1/200 bis 1/30 umfassen.
Ein Anschlagteil 203 und die Stufe 204, die als Anschlag dienen, sind als Entwurfsbeispiel für einen leichten Zusammenbau bei der Fertigung angegeben. Das Anschlagteil 203 hat eine zylindrische äußere Umfangsfläche, die sich in axialer Richtung erstreckt und in radialer Richtung über die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 hinaus vorsteht, damit die Stufe 204 zwischen der Fläche 202 und dem axialen Vorderende 206 gebildet wird.
Nun wird das Rotorteil 300 der Ausführungsform anhand von 3 bis 7 beschrieben. Das Rotorteil 300 umfasst eine rohrförmige Hülse 301, eine Anzahl Magnetsegmente 311, die in radialer Richtung außerhalb der Hülse 301 in Umfangsrichtung angeordnet sind, und ein rohrförmiges Teil 321, das die Magnetsegmente 311 in radialer Richtung gesehen von außen bedeckt. Aus Gründen der Herstellung und der Formgebung können die Magnetsegmente 311 in mehrere Stücke unterteilt sein. 3 zeigt zwei in axialer Richtung getrennte Stücke.
Die Hülse 301, siehe 5, besteht aus einem rohrförmigen Teil mit der Mittenachse O₂ und weist ein erstes Ende 302 an ihrer axialen Rückseite auf (d. h. der axial ersten Seite), ein zweites Ende 303 an der axialen Vorderseite (d. h. der axial zweiten Seite) und eine zylindrische äußere Umfangsfläche 304. Die Hülse 301 besitzt ein Vorsprungsteil 305, das von der äußeren Umfangsfläche 304 radial nach außen vorsteht. Das Vorsprungsteil 305 dient als Entwurfsbeispiel für eine einfachere axiale Anordnung der Magnete während des Fertigungsvorgangs.
Die Hülse 301 kann aus magnetischem Metall hergestellt sein, beispielsweise SS400 oder S45C. Die Hülse 301 hat eine Dicke, die für ein leichtes Herstellen des Presssitzes der Hülse 301 auf der Welle 200 bevorzugt dünn ist. Die Hülse 301 kann an ihrem dünnsten Abschnitt eine Dicke von 1 mm bis 2 mm aufweisen. Das Herstellen des Presssitzes der Hülse 301 auf der Welle 200 wird später beschrieben.
In dieser Ausführungsform hat die Hülse 301 eine sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 (d. h. eine sich verjüngende Oberfläche), die sich vom ersten Ende 302 hin zum zweiten Ende 303 kontinuierlich radial nach außen erweitert. Die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 erweitert sich kontinuierlich vom ersten Ende 302 zum zweiten Ende 303 und enthält in der Richtung vom ersten Ende 302 zum zweiten Ende 303 keinen Abschnitt, in dem sich ihr Radius verringert (d. h. in der axialen Vorwärtsrichtung). Anders gesagt hat die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 einen Radius, der in der axialen Vorwärtsrichtung zwischen dem ersten Ende 302 und dem zweiten Ende 303 über die gesamte Länge kontinuierlich zunimmt.
Die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 kann bevorzugt eine sich geradlinig verjüngende Fläche sein. In diesem Fall vergrößert sich der Radius der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 linear von einem Radius R₃ der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am ersten Ende 302 zu einem Radius R₄ der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am zweiten Ende 303 in einer Richtung vom ersten Ende 302 zum zweiten Ende 303. Der Radius R₄ ist größer als der Radius R₃, d. h. es gilt R₄ > R₃. Die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 kann bevorzugt eine sich geradlinig verjüngende Fläche mit einem Verjüngungsverhältnis von beispielsweise 1/200 bis 1/30 sein. Der Bereich dieses Zahlenwerts wird später beschrieben.
Das Ausmaß der Verjüngung der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 ist so eingerichtet, dass es dem Ausmaß der Verjüngung der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 entspricht. Erhält genauer gesagt die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 der Welle 200 und die sich verjüngend innere Umfangsfläche 306 der Hülse 301 die gleiche geradlinige Verjüngung, so wird die äußere Umfangsfläche 202 und die innere 306 mit dem gleichen Verjüngungsverhältnis (beispielsweise 1/100) hergestellt.
Im zusammengebauten Elektromotor 100 in 1 ist die Hülse 301 durch einen Presssitz auf der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 befestigt, und zwar so, dass die Mittenachsenlinie O₁ der Welle 200 mit der Mittenachsenlinie O₂ der Hülse 301 ausgerichtet ist. In dieser Anordnung berührt das zweite Ende 303 der Hülse 301 die Stufe 204 des Anschlagteils 203, das als Anschlag dient und für einen leichten Zusammenbau vorhanden ist. Der Radius R₄ der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am zweiten Ende 303 ist im Wesentlichen gleich dem Radius des axialen Vorderendes 206 der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202.
Zudem berühren sich die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 der Hülse 301 und die sich verjüngend äußere Umfangsfläche 202 der Welle 200 gegenseitig eng und mit einem hohen Flächendruck, so dass die Hülse 301 von der Welle 200 in radialer Richtung nach außen gedrückt wird. Die zusammengebaute Anordnung der Hülse 301 und der Welle 200 wird später beschrieben.
Die Magnetsegmente 311, siehe 6, sind aus einem kreisbogenförmigen Magnetstück hergestellt, das einen inneren Radius mit einem vorbestimmten Krümmungsradius hat. Im Einzelnen hat das Magnetsegment 311 eine axiale Vorderseitenfläche 312, eine axiale Rückseitenfläche 313, eine erste Endfläche 314 in Umfangsrichtung, eine zweite Endfläche 315 in Umfangsrichtung, eine radial innere Fläche 316 und eine radial äußere Fläche 317. Die innere Fläche 316 des Magnetsegments 311 ist kreisbogenförmig. Die äußere Fläche 317 kann eine gekrümmte oder ebene Fläche aufweisen oder eine Kombination aus einer gekrümmten Fläche und einer ebenen Fläche.
In der in 6 dargestellten Ausführungsform sind die Flächen 312, 313, 314 und 315 deutlich zu sehen. Diese Flächen können in Wirklichkeit gekrümmte Flächen sein oder sehr kleine Flächen, die zwischen einer sich verjüngenden Fläche und einer gekrümmten Fläche verlaufen, und sie sind manchmal aufgrund des Entwurfs des magnetischen Kreises oder der Spezifikation des Elektromotors schlecht zu sehen. Zudem sind alle Flächen durch Kanten bestimmt, die in Wirklichkeit abgeschrägt und in eine gekrümmte Form gebracht sind. Damit sind die Flächen in manchen Fällen nicht durch die reinen Zeichnungslinien bestimmt.
Die innere Fläche 316 ist kreisbogenförmig mit einem vorbestimmten Krümmungsradius und erstreckt sich in axialer Richtung so, dass sie eine radial innere Seitenkante der axialen Vorderseitenfläche 312 mit der radial inneren Seitenkante der axialen Rückseitenfläche 313 verbindet. Die äußere Fläche 317 kann eine in Umfangsrichtung glatte Kurvenlinie aufweisen, die beispielsweise eine Kreisbogenfläche oder eine andere gekrümmte Fläche bildet. Der Krümmungsradius der inneren Fläche 316 wird später beschrieben.
Das rohrförmige Teil 321, siehe 7, besteht aus einem rohrförmigen Material, das sich in axialer Richtung erstreckt. Im Einzelnen weist das rohrförmige Teil 321 eine axiale Vorderseitenfläche 322, eine axiale Rückseitenfläche 323, eine Rohrinnenfläche 324 und eine Rohraußenfläche 325 auf. In der in 7 dargestellten Ausführungsform sind die Stirnflächen 322 und 323 deutlich zu sehen. Diese Stirnflächen sind manchmal aufgrund des Materials oder der Struktur des rohrförmigen Teils und des Herstellungsverfahrens nur undeutlich zu sehen.
Das rohrförmige Teil 321 hat eine Festigkeit bezüglich einer Verformungskraft, die in radialer Richtung nach außen wirkt. Anders formuliert hat das rohrförmige Teil 321 einen im Wesentlichen unveränderlichen Radius (Durchmesser). Zudem wird das rohrförmige Teil 321 bevorzugt aus einem nicht magnetischen Material hergestellt, weil man eine verringerte Leistung durch Wärmeerzeugung oder magnetischen Streufluss verhindern will. Das rohrförmige Teil 321 hat bevorzugt eine geringe Dichte, damit bei der Drehung weniger Zentrifugalkraft erzeugt wird.
Das rohrförmige Teil 321 besteht bevorzugt aus einem Material mit großer spezifischer Festigkeit (Zugfestigkeit je Dichteeinheit) und umfasst Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylen-terephthalaffaser. Zudem wird FRP (Fiber Reinforced Plastic) auch als Material für das rohrförmige Teil 321 bevorzugt, wobei FRP Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylen-terephthalaffaser umfasst. Ein Verbundmaterial aus einer beliebigen Kombination dieser Materialien wird ebenfalls bevorzugt. Zudem kann das rohrförmige Teil 321 aus austenitischem rostfreien oder nicht magnetischen Metall bestehen, zu dem Titanlegierungen gehören.
In den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen umfasst das zusammengebaute Rotorteil 300 insgesamt acht Magnetsegmente 311. Genauer gesagt sind zwei Magnetsegmente 311 an einer Umfangsposition A in 4 axial benachbart angeordnet, und sie bilden ein Paar. In ähnlicher Weise sind zwei Magnetsegmente 311 an den Umfangspositionen B, C und D in 4 axial benachbart angeordnet, und sie bilden jeweils ein Paar.
Damit enthält das Rotorteil 300 der Ausführungsform vier Paar Magnetsegmente 311, die in Umfangsrichtung auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 mit im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet sind. Die Magnetsegmente 311 an der axialen Rückseite sind in axialer Richtung durch eine Struktur angeordnet, beispielsweise ein vorstehendes Teil 305, das auf der Hülse 301 ausgebildet ist.
Das rohrförmige Teil 321 wird angebracht, damit es alle Magnetsegmente 311 in vier Umfangspaaren (insgesamt acht Magnete) von der Außenseite in radialer Richtung der Segmente 311 abdeckt und umgibt. Im zusammengebauten Elektromotor 100 in 1 wird wie beschrieben die Hülse 301 von der Welle 200 radial nach außen gedrückt. Diese Presssitzkraft bewirkt, dass sich die Hülse 301 in radialer Richtung nach außen verformt. Dadurch wird auch jedes Magnetsegment 311 in radialer Richtung nach außen gedrückt.
Wie beschrieben weist das rohrförmige Teil 321 eine Festigkeit gegen eine Verformung in radialer Richtung nach außen auf. Daher bewirkt das rohrförmige Teil 321 nach dem Erhalt des Drucks, den die Magnetsegmente 311 ausüben, eine Reaktionskraft, die die Magnetsegmente 311 in radialer Richtung zurück nach innen drückt.
Diese Anordnung erlaubt es, die Magnetsegmente 311 fest zwischen der Hülse 301 und dem rohrförmigen Teil 321 zu halten. Diese Anordnung verhindert also eine Relativbewegung der Magnetsegmente 311 gegen die Hülse 301 und das rohrförmige Teil 321 auch bei einem Betrieb des Rotorteils 300 mit hoher Drehzahl, wenn der Elektromotor 100 betrieben wird.
Dieser Mechanismus wird anhand von 8 bis 10 ausführlich beschrieben. 8 zeigt: die auf jedes Teil wirkenden Zentrifugalkräfte; das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 301 und der Welle 200; und das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 301 und den Magnetsegmenten 311 jeweils abhängig von der Drehzahl des Elektromotors 100. Die beiden Befestigungsdrehmomente fallen mit zunehmender Drehzahl. Das ”Befestigungsdrehmoment” erhält seinen Wert dadurch, dass eine Reibungskraft in Umfangsrichtung zwischen den Berührflächen zweier Teile mit der radialen Entfernung zwischen der Drehachse und den Berührflächen multipliziert wird (d. h. Radius der Berührfläche). Ein größeres Befestigungsdrehmoment zeigt Schwierigkeiten mit einer relativen Umfangsbewegung (Schwierigkeit mit dem Durchrutschen) eines Teils bezüglich des anderen Teils an.
In 8 zeigt die Linie 10 das Befestigungsdrehmoment zwischen der Welle 200 und der Hülse 301 und die Linie 12 das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 301 und den Magnetsegmenten 311. Die Linien 14, 16 und 18 in 8 zeigen die Zentrifugalkräfte der Magnetsegmente 311, der Hülse 301 und des rohrförmigen Teils 321. Die Linie 20 zeigt das maximale Drehmoment des Elektromotors 100.
Das Befestigungsdrehmoment 10 und 12, siehe 8, ist beträchtlich höher als das maximale Drehmoment 20 des Elektromotors 100 im Stillstand (d. h. bei Drehzahl null), und es fällt bei zunehmender Drehzahl des Elektromotors 100 und erreicht nach und nach das maximale Drehmoment 20.
Das maximale Drehmoment 20 des Elektromotors 100 fällt ab etwa 10000 min–1 ab, hier bei einem Beispielmotor, der eine maximale Leistungsabgabe von 90 kW hat. Wächst die Drehzahl bei konstantem Drehmoment, so nimmt die Leistungsabgabe gemäß dem Ausdruck (Leistungsabgabe des Elektromotors = Drehmoment × Drehzahl) stetig zu. Dies ist jedoch wegen der begrenzten Leistungszufuhr von der ansteuernden Quelle nicht realistisch. Beim Entwurf von Elektromotoren für hohe Drehzahlen und hohes Drehmoment wird das Drehmoment deshalb so angepasst, dass es ab einer gewissen Drehzahl abfällt, damit statt dessen die Leistungsabgabe konstant bleibt. Daher nimmt das Drehmoment in diesem Beispiel ab etwa 10000 min–1 ab.
9 und 10 zeigen das Kräftegleichgewicht während des Stillstands und bei der Drehung. Um der Klarheit der Zeichnung und Beschreibung willen zeigen 9 und 10 den prinzipiellen Kraftzusammenhang zwischen dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36. Obwohl der Kraftzusammenhang zwischen der Hülse 36 und der Welle 37 nicht dargestellt ist, versteht ein Fachmann sofort, dass der Zusammenhang zwischen der Hülse 36 und der Welle 37 ähnlich erklärt werden kann wie der Zusammenhang zwischen dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36.
9 zeigt das Kräftegleichgewicht zwischen dem rohrförmigen Teil 32, dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36 während eines Stillstands des Elektromotors. Der Pfeil 30 in 9 bezeichnet eine Kraft, die das Magnetsegment 34 auf die Hülse 36 ausübt. Der Pfeil 26 bezeichnet eine Reaktionskraft, die die Hülse 36 auf das Magnetsegment 34 ausübt. Der Pfeil 28 bezeichnet eine Reibungskraft zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34. Die Reibungskraft hat einen Wert, den man durch Multiplizieren der Kraft 26 mit einem Reibungskoeffizienten zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34 erhält. Der Pfeil 24 in 9 bezeichnet eine Kraft, die das rohrförmige Teil 32 auf das Magnetsegment 34 ausübt (d. h. die zusammendrückende Haltekraft des rohrförmigen Teils 32). Der Pfeil 22 bezeichnet eine Reaktionskraft, die das Magnetsegment 34 auf das rohrförmige Teil 32 ausübt.
Zur Vereinfachung der Zeichnung und Erklärung wird nur der Zusammenhang zwischen dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36 erklärt. Ein Fachmann sieht jedoch sofort, dass der Kraftzusammenhang zwischen der Hülse 36 und der Welle 37 in ähnlicher Weise erklärt werden kann, jedoch mit der Ausnahme, dass die Kraft, die das Magnetsegment 34 auf die Hülse 36 ausübt und die Kraft durch den Presssitz der Hülse 36, zu einer Kraft addiert werden müssen, die die Hülse 36 auf die Welle 37 ausübt.
10 zeigt das Kräftegleichgewicht zwischen dem rohrförmigen Teil 32, dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36 während der Drehung des Elektromotors. Der Pfeil 52 in 10 bezeichnet eine Kraft, die das Magnetsegment 34 auf die Hülse 36 ausübt. Der Pfeil 42 bezeichnet eine Reaktionskraft, die die Hülse 36 auf das Magnetsegment 34 ausübt. Der Pfeil 48 bezeichnet eine Reibungskraft zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34. Der Pfeil 46 bezeichnet eine Kraft, die das rohrförmige Teil 32 auf das Magnetsegment 34 ausübt (d. h. die zusammendrückende Haltekraft des rohrförmigen Teils 32). Der Pfeil 54 bezeichnet eine Reaktionskraft, die von der Hülse 36 über das Magnetsegment 34 auf das rohrförmige Teil 32 ausgeübt wird. Der Pfeil 38 bezeichnet eine Gesamtkraft, die auf das rohrförmige Teil 32 ausgeübt wird. Ein gestrichelter Pfeil 40 bezeichnet eine Zentrifugalkraft, die auf das Magnetsegment 34 wirkt. Ein gestrichelter Pfeil 44 bezeichnet eine Zentrifugalkraft, die auf das rohrförmige Teil 32 wirkt.
Die zusammendrückende Haltekraft 46, die das rohrförmige Teil 32 während der Drehung ausübt, siehe 10, hat einen Wert den man durch Subtrahieren der während der Drehung auf das rohrförmige Teil 32 wirkenden Zentrifugalkraft 44 von der zusammendrückenden Haltekraft 24 im Stillstands erhält, siehe 9. Daher ist es erwünscht, dass das rohrförmige Teil 32 eine geringe Masse und eine hohe Festigkeit aufweist, d. h. eine hohe spezifische Festigkeit. Das rohrförmige Teil 32 wird daher bevorzugt aus einem Material hergestellt, das Carbonfaser als Hauptbestandteil enthält. Das rohrförmige Teil 32 mit geringer Masse ergibt eine weniger geminderte zusammendrückende Haltekraft 24 aufgrund der Zentrifugalkraft, wodurch eine erhöhte Kraft das Magnetsegment und die Hülse hält, und die Drehzahl kann weiter erhöht werden.
Die in 10 dargestellte Kraft 52 ist geringer als die in 9 und 10 dargestellte Kraft 30, und zwar wegen der Zentrifugalkraft 40 des Magnetsegments 34 und der Zentrifugalkraft 44 des rohrförmigen Teils 32. Dies verringert die Kraft 42 und damit die Reibungskraft 48 zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34. Damit wird das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34 bei rotierendem Elektromotor 100 verringert.
Zur Vereinfachung der Zeichnung und der Beschreibung wurde nur der Kraftzusammenhang zwischen dem Magnetsegment 34 und der Hülse 36 erklärt. Ein Fachmann sieht jedoch sofort, dass der Kraftzusammenhang zwischen der Hülse 36 und der Welle 37 in ähnlicher Weise erklärt werden kann, jedoch mit der Ausnahme, dass die Kraft aufgrund des Presssitzes der Hülse 36 und die Kraft, die das Magnetsegment 34 auf die Hülse 36 ausübt, zu einer Kraft addiert werden muss, die die Hülse 36 auf die Welle 37 ausübt, und die Zentrifugalkraft, die auf die Hülse 36 wirkt, muss berücksichtigt werden. Damit wird das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 36 und der Welle 37 bei rotierendem Elektromotor 100 ebenfalls verringert.
Die zusammendrückende Haltekraft 46 des rohrförmigen Teils 32 muss bei maximaler Motordrehzahl erhalten bleiben, und das Befestigungsdrehmoment in Umfangsrichtung zwischen der Hülse 36 und dem Magnetsegment 34 und zwischen der Hülse 36 und der Welle 37, das durch die zusammendrückende Haltekraft 46 gegeben ist, muss das maximale Drehmoment des Motors bei jeder Drehzahl und zu jeder Zeit überschreiten. Ein Abstand um mehr als den Faktor fünf gegen das maximale Drehmoment des Motors wird bevorzugt.
Daher wird für das Rotorteil 300 dieser Ausführungsform der Presssitz des rohrförmigen Teils 321 so eingestellt, dass das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse 301 und der Welle 200 das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 100 überschreitet, und dass das Befestigungsdrehmoment zwischen dem Magnetsegmenten 311 und der Hülse 301 das maximale Drehmoment des Elektromotors 100 überschreitet, und zwar im gesamten Betriebsbereich der rotierenden elektrischen Maschine 100.
Bei einer Anordnung wie in 8 überschreitet das Befestigungsdrehmoment 10 zwischen der Welle 200 und der Hülse 301 und das Befestigungsdrehmoment 12 zwischen der Hülse 301 und dem Magnetsegment 311 das maximale Drehmoment 20 des Elektromotors 100 bei jeder Drehzahl des Elektromotors 100. Dies verhindert eine Relativbewegung zwischen der Welle 200 und der Hülse 301 und zwischen der Hülse 301 und dem Magnetsegment 311 bei Betrieb des Elektromotors 100.
Nun wird der Betrieb des Elektromotors 100 mit Hilfe von 1 bis 7 beschrieben. Durch das Fließen eines Stroms von einer Stromquelle außerhalb des Elektromotors 100 in eine Spule 104 über eine Stromleitung erzeugt der Ständer 110 ein magnetisches Drehfeld um die Mittenachse O₁. Das vom Ständer 110 erzeugte magnetische Drehfeld erzeugt eine elektromagnetische Kraft auf die Magnetsegmente 311 des Rotorteils 300 in Umfangsrichtung. Daher dreht sich das Rotorteil 300 zusammen mit der Welle 200.
Ein Herstellungsverfahren für das Rotorteil 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von 11 bis 19 beschrieben. Das Herstellungsverfahren S10 für das Rotorteil 300 umfasst die Schritte S1 bis S5. Im Schritt S1 wird die Hülse 301 bereitgestellt. Beispielsweise werden die innere und die äußere Umfangsfläche eines rohrförmigen Materials bearbeitet, damit die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 und die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 304 ausgebildet werden. Zudem wird bei Bedarf beispielsweise das Vorsprungsteil 305 ausgebildet, damit der Zusammenbau einfacher vor sich geht. Der Radius R₄' der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am zweiten Ende 303 der Hülse 301, die im Schritt S1 bereitgestellt wurde, ist kleiner als der Radius R₄ im zusammengebauten Elektromotor 100 (siehe 17). In gleicher Weise ist der Radius R₃' der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am ersten Ende 302 der Hülse 301, die im Schritt S1 bereitgestellt wurde, kleiner als der Radius R₃ im zusammengebauten Elektromotor 100.
Im Schritt S2 werden die Magnetsegmente 311 bereitgestellt. Im Einzelnen werden acht Magnetsegmente 311 bereitgestellt, von denen jedes eine im Wesentliche kreisbogenförmige Anordnung hat und eine innere Fläche 316, die einen vorbestimmten Krümmungsradius aufweist. Im Schritt S3 wird das rohrförmige Teil 321 bereitgestellt. Das Material des rohrförmigen Teils 321 hat bevorzugt eine hohe spezifische Festigkeit (Zugfestigkeit je Dichteeinheit) und umfasst Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybuhylen-terephthalatfaser. Zudem wird irgendein FRP (faserverstärkter Kunststoff, Fiber Reinforced Plastic) der die genannten Materialien enthält, austenitische rostfreie Materialien oder Titan, nicht magnetisches Metall wie Titanlegierungen bevorzugt, und ein Verbundmaterial daraus wird ebenfalls bevorzugt.
Man kann die Schritte S1 bis S3 gleichzeitig oder in jeder beliebigen Reihenfolge ausführen. Die Schritte S1 bis S3 können an entsprechenden Herstellungsorten ausgeführt werden, oder mindestens zwei der Schritte S1 bis S3 können am gleichen Herstellungsort ausgeführt werden.
Im Schritt S4 werden insgesamt acht Magnetsegmente 311 auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 angeordnet. Der Schritt S4 wird im Folgenden mit Hilfe von 13 beschrieben. Zuerst werden zwei im Schritt S2 bereitgestellte Magnetsegmente 311 in axialer Richtung benachbart an der Umfangsposition A angeordnet, so dass sie ein Paar bilden, und auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 angebracht. In ähnlicher Weise werden zwei Magnetsegmente 311 in axialer Richtung benachbart jeweils an den Umfangspositionen B, C und D angeordnet, so dass sie ein Paar bilden, und auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 angebracht.
Das Paar Magnetsegmente 311A an der Umfangsposition A hat ein starkes Magnetfeld, wodurch sich an der Seite der inneren Fläche 316 ein Südpol ergibt und an der Seite der äußere Fläche 317 ein Nordpol. Dagegen hat das Paar Magnetsegmente 311B an der Umfangsposition B ein Magnetfeld derart, dass sich an der Seite der inneren Fläche 316 ein Nordpol ergibt und an der Seite der äußere Fläche 317 ein Südpol.
Das Paar Magnetsegmente 311C an der Umfangsposition C hat ein Magnetfeld derart, dass sich an der Seite der inneren Fläche 316 ein Südpol ergibt und an der Seite der äußeren Fläche 317 ein Nordpol. In vergleichbarer Weise hat das Paar Magnetsegmente 311D an der Umfangsposition D ein Magnetfeld derart, dass sich an der Seite der inneren Fläche 316 ein Nordpol ergibt und an der Seite der äußeren Fläche 317 ein Südpol.
Zusammengefasst sind die Magnetsegmentpaare 311A bis 311D in dieser Ausführungsform so in der Umfangsrichtung angeordnet, dass sich ihre Südpole und Nordpole in der Umfangsrichtung abwechseln. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, dass die Magnetsegmente 311 vor dem Schritt S4 magnetisiert werden. Dies erlaubt es, die Magnetsegmentpaare 311 in einem gemeinsamen Magnetfeld zu halten, das von den Magnetsegmenten 311 erzeugt wird, wodurch der Anordnungsvorgang der Magnetsegmente 311 auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 einfach wird.
Im Schritt S5 wird das rohrförmige Teil 321 angebracht, damit die Magnetsegmente 311 in radialer Richtung von außen abgedeckt werden. Im Einzelnen wird das im Schritt S3 bereitgestellte rohrförmige Teil 321 in radialer Richtung außerhalb der Magnetsegmente 311 so angebracht, dass die innere Fläche 324 des rohrförmigen Teils 321 zu den Außenflächen 317 in radialer Richtung der Magnetsegmente 311 zeigen. In diesem Zustand können das rohrförmige Teil 321 und die Magnetsegmente 311 eine Spielpassung oder eine schwache Presspassung aufweisen. Als Presssitz reicht eine schwache Pressung aus, die ein Abfallen des rohrförmigen Teils 321 verhindert.
In 12 ist eine weitere Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für das Rotorteil 300 erläutert. Anstelle des Schritts S3 in 11 kann im Schritt S5 das rohrförmige Teil 321 direkt auf den Magnetsegmenten 311 angeordnet werden, indem ein Material des rohrförmigen Teils 321 um den Außenrand der Magnetsegmente 311 gewickelt wird (Schritt S3'). Beispielsweise kann Material in Form eines Streifens, eines Riemens oder eines Bogens dazu verwendet werden, den Außenrand der Magnetsegmente 311 zu bedecken, damit eine gewisse Dicke einer Wickelschicht ausgebildet wird, die durch eine Anzahl Windungen des Materials in der Drehrichtung um den Außenrand der Magnetsegmente 311 entsteht.
In dieser Ausführungsform wird der Radius der inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 größer eingestellt als die äußere Umfangsfläche 304 der Hülse 301. Insbesondere, siehe 15, ist R₇ größer als R₈ (R₇ > R₈), wobei R7 der Krümmungsradius der inneren Fläche 316 der Magnetsegmente 311 ist und R8 der Radius der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301.
Eine solche Anordnung liefert einen Spalt 330 zwischen den inneren Flächen 316 der Magnetsegmente 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 an den Umfangsendbereichen der inneren Flächen 316 der Magnetsegmente 311. Der Spalt 330 hat eine Funktion, die später beschrieben wird.
Ist der Außenrand der Magnetsegmente 311 nicht kreisförmig, so kann das rohrförmige Teil 321 entlang des Außenrands der Magnetsegmente 311 beim Herstellen eines Presssitzes verformt werden, damit eine flächenhafte Berührung zwischen der Außenfläche des Segments 311 und den inneren Fläche des rohrförmigen Teils 321 entsteht, die die beiden Teile miteinander verbindet.
Wird das rohrförmige Teil 321 auf die radiale Außenseite der Magnetsegmente 311 gesetzt, so kann man das Rotorteil 300 als integriertes Teil bereitstellen, in dem die Magnetsegmente 311 zwischen der Hülse 301 und dem rohrförmigen Teil 321 gehalten sind.
Das in 14 dargestellte Rotorteil 300 wird mit den Schritten S1 bis S5 produziert. Da das Rotorteil 300 als integriertes Teil vorgefertigt wird, kann das Rotorteil 300 leicht transportiert werden. Auf dem Gebiet der eingebauten Elektromotore wird beispielsweise eine solche Rotorteil-Baugruppe manchmal als Einzelprodukt gefertigt und vertrieben. Das Rotorteil 300 der Ausführungsform hat eine übliche Struktur und ist leicht zu handhaben. Dies ist in diesem technischen Gebiet unter Vertriebsgesichtspunkten vorteilhaft.
Im Weiteren wird das Herstellungsverfahren für den Läufer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung anhand von 11 weiter beschrieben. Das Verfahren S20 zum Herstellen des Läufers umfasst die Schritte S6 bis S8. Im Schritt S6 wird die Welle 200 aus 2 bereitgestellt. Die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 wird beispielsweise durch eine Bearbeitung der äußeren Umfangsfläche eines rohrförmigen Teils ausgebildet. Vor oder nach der genannten Prozedur können die zylindrische äußere Umfangsfläche 207 und das Anschlagteil 203 nach Bedarf ausgebildet werden.
Im Schritt S7 wird das im Schritt S5 bereitgestellte Rotorteil 300 von der axialen Rückseite der Welle 200 aufgesetzt. Der Schritt S7 wird nun mit Hilfe von 16 und 17 beschrieben. Zuerst wird die Hülse 301 des Rotorteils 300 von der Seite des zweiten Endes 303 her auf die axiale Rückseite der im Schritt S6 bereitgestellten Welle 200 aufgesetzt.
Die Welle 200 wird so gehalten, dass eine Stirnfläche (nicht dargestellt) einer axial zweiten Seite (Vorderseite) der Welle hin zu einer axial ersten Seite (Rückseite) gedrückt wird, und das Ende 302 der Hülse 301 des Rotorteils 300 wird hin zur axialen Vorderseite gedrückt. Anders formuliert wird das Rotorteil 300 in der axialen Vorwärtsrichtung gedrückt wie in 16 durch den Pfeil E dargestellt.
Dies bewirkt, dass das Vorderende der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 der Hülse 301 die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 der Welle 200 an einem Berührpunkt P berührt. Dieser Status ist in 16 dargestellt. Man bevorzugt, siehe 17, dass der Radius der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 am Punkt P gleich dem Radius R₄' der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 des zweiten Endes 303 der Hülse 301 ist, die im Schritt S1 bereitgestellt wurde.
Im Schritt S8 wird das Rotorteil 300 mit Druck in der axialen Vorwärtsrichtung weiter über die Welle 200 bewegt. Genauer gesagt wird das Rotorteil 300 in der axialen Vorwärtsrichtung in eine bestimmte Position gedrückt, z. B. die Position, in der das zweite Ende 303 der Hülse 301 die Stufe 204 des Anschlagteils 203 berührt, siehe 17.
Die Hülse 301 dehnt sich um eine Differenz δ zwischen dem Radius R₁ und dem Radius R₄' radial nach außen, wenn sie sich axial um eine Entfernung x vom Berührpunkt P vorwärts zur Stufe 204 hin bewegt. Dadurch wird das Rotorteil 300 in diesem Status durch einen Presssitz an der Läuferwelle 200 befestigt, und zwar mit einer Pressung ⌀2δ. Man beachte, dass die Hülse 301 in diesem Status bevorzugt über ihren elastischen Verformungsbereich hinaus verformt wird.
Die Hülse 301 dehnt sich durch die auf sie ausgeübte Druckkraft radial nach außen aus, bis die Hülse 301 die vorbestimmte Befestigungsposition erreicht. Dies bewirkt, dass sich die Magnetsegmente 311 in radialer Richtung nach außen bewegen. Durch diese Bewegung erfährt das rohrförmige Teil 321 eine nach außen wirkende Kraft und dehnt sich daher ebenfalls in radialer Richtung nach außen aus. Damit baut das rohrförmige Teil 321 eine elastische zusammendrückende Kraft auf, die die Magnetsegmente 311 und die Hülse 301 zwischen der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 und dem rohrförmigen Teil 321 hält, indem es Presskräfte (Flächenpresskräfte) zwischen den sich berührenden Flächen erzeugt. Die Presskräfte halten die Magnetsegmente 311 gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 fest, und die innere Umfangsfläche 306 der Hülse 301 auf der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200.
Man beachte, dass die innere Umfangsfläche 306 der Hülse 301 bevorzugt in eine flächenhafte Berührung mit der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 gebracht wird, und zwar nahezu im gesamten Bereich (mehr als 90 Prozent) zwischen der axialen Vorderseitenfläche 322 des rohrförmigen Teils 321 und der Rückseitenfläche 323.
Besondere Abmessungen der Welle 200 und der Hülse 301 werden im Weiteren als Beispiel vorgestellt. Das Verjüngungsverhältnis sowohl der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 als auch der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 der Hülse 301 wird auf 1/100 festgesetzt. Die Dicke der Hülse 301 an ihrem zweiten Ende 303 ist auf 1 mm eingestellt. Die axiale Länge der Hülse 301, d. h. die Entfernung zwischen dem ersten Ende 302 und dem zweiten Ende 303 ist auf 100 mm eingestellt.
Daraus ergibt sich eine Dicke der Hülse 301 an ihrem ersten Ende 302 von 1,5 mm. Ist der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 auf ⌀80 mm eingestellt (d. h., der Radius beträgt 40 mm), so erhält man einen Durchmesser der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 des zweiten Endes 303 von ⌀78 mm (d. h., R4 = 39 mm). Der Durchmesser der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 306 am ersten Ende 302 beträgt ⌀77 mm (d. h., R3 = 38,5 mm).
Wird der Außendurchmesser des axialen Endes 206 der Welle 200 auf ⌀78,5 mm eingestellt (d. h., R1 = 39,25 mm), so ergibt sich der Außendurchmesser der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 der Welle 200 an einer Position 100 mm rückwärts vom axialen Vorderende 206 zu ⌀77,5 mm (d. h., der Radius beträgt 38,75 mm).
Wird in diesem Fall die Hülse 301 mit Presssitz auf der Welle 200 befestigt, wobei das zweite Ende 303 der Hülse 301 die Stufe 204 der Welle 200 berührt, so werden die Hülse 301 und die Welle 200 durch einen Presssitz mit dem Übermaß von ⌀0,5 mm aneinander befestigt.
Mit Abschluss des Schritts S8 ist das Rotorteil 300 durch einen Presssitz an der Welle 200 befestigt, wodurch der Läufer 400 in 18 produziert ist. Damit bilden der Schritt S7 und der Schritt S8 gemeinsam einen Schritt S9, in dem das Rotorteil 300 in radialer Richtung von außen durch einen Presssitz an der Welle 200 befestigt wird.
Wie beschrieben sind in dieser Ausführungsform die Magnetsegmente 311 in der Umfangsrichtung angeordnet, und der Krümmungsradius R₇ der inneren Umfangsfläche 316 eines jeden Magnetsegments 311 ist größer eingestellt als der Krümmungsradius R₈ der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301. Dies verhindert Brüche der Magnete beim Herstellen des Läufers 400.
19 zeigt das Verhindern von Brüchen der Magnete, das im Folgenden beschrieben wird. Abschnitt (a) in 19 entspricht 15 und stellt das Rotorteil 300 vor dem Herstellen des Presssitzes auf der Welle 200 dar. Abschnitt (b) in 19 entspricht 4 und stellt das Rotorteil 300 nach dem Herstellen des Presssitzes auf der Welle 200 dar.
Wie beschrieben wird der Spalt 330 zwischen den inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 vor dem Herstellen des Presssitzes des Rotorteils 300 auf der Welle 200 ausgebildet. Wird im Schritt S8 der Presssitz des Rotorteils 300 auf der Welle 200 hergestellt, so dehnt sich das Rotorteil 300 um die genannte Differenz δ radial nach außen aus.
Wie in Abschnitt (b) in 19 erläutert ist, dehnt sich die Hülse 301 radial nach außen aus und füllt den Spalt 330. Dadurch entsteht eine flächenhafte Berührung zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und den inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311. Der Spalt 330 entsteht durch die Differenz zwischen dem Krümmungsradius R₇ der inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 und dem Radius R₈ der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301. Die Größe des Spalts 330 wird durch die Ausdehnung der Hülse 301 im Schritt S8 bestimmt.
Gemäß der beschriebenen Anordnung dient der Spalt 330 als ”Freiraum”, der ein Ausdehnen der Hülse 301 ermöglicht und verhindert, dass im Schritt S8 eine übermäßige Kraft von der Hülse 301 auf die Magnetsegmente 311 ausgeübt wird. Dadurch werden Brüche in den Magnetsegmenten 311 verhindert.
In dieser Ausführungsform bestehen die Magnetsegmente 311 aus vier Paaren, die getrennt in Umfangsrichtung angeordnet sind, und sie hängen nicht in Form eines Rings zusammen. Eine solche Anordnung kann im Schritt S8 erfolgreich Schäden an den Magnetsegmenten 311 verhindern, wenn eine Kraft auf die Magnetsegmente 311 ausgeübt wird, und zwar verglichen mit ringförmigen Magneten. Durch die Einstellung der Größe und Anzahl der verwendeten Magnetsegmente 311 kann eine Anwendung der Segmente 311 auf einen großen Elektromotor einfach vorgenommen werden.
In dieser Ausführungsform dehnt sich wie beschrieben die Hülse 301 in radialer Richtung nach außen aus und füllt den Spalt 330, wodurch im Schritt S8 eine flächenhafte Berührung zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 und den inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 möglich wird. Diese Anordnung erlaubt, dass die äußere Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und die inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 eng und fest aneinander anliegen und dass die Presskraft im Läufer 400 gleichmäßig über sie verteilt ist, wenn der Zusammenbau abgeschlossen ist. Eine solche Struktur erhöht die Reibungskraft (Befestigungsdrehmoment) zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und den inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 und verhindert dadurch wirksam eine Relativbewegung der Magnetsegmente 311 gegen die Hülse 301 im Betrieb des Elektromotors 100.
Zudem werden in dieser Ausführungsform die sich verjüngenden Flächen 202 und 306 zum Ausdehnen der Hülse 301 verwendet, damit das Rotorteil 300 im Schritt S8 mit einem Presssitz auf der Welle 200 befestigt wird. Eine solche Anordnung ermöglicht eine gleichförmige und hochpräzise Ausdehnung der Hülse 301, damit die Magnetsegmente 311 stabil zwischen der Hülse 301 und dem rohrförmigen Teil 321 gehalten werden. Dadurch erhält der Läufer 400 eine feste Struktur, und der Läufer 400 kann in einem Motor für ein Produkt verwendet werden, das mit hoher Drehzahl betrieben wird.
In dieser Ausführungsform erfordert der Vorgang der Presssitzherstellung des Rotorteils 300 auf der Welle 200 nur eine Pressmaschine, die das Rotorteil 300 in eine axiale Richtung drückt. Es sind keine anderen komplizierten Maschinen erforderlich, wodurch die Produktivität wächst und die Herstellungskosten sinken.
Gemäß dieser Ausführungsform braucht kein so genanntes ”thermisches Einsetzverfahren” verwendet werden, bei dem das Rotorteil 300 und ein Teil der Welle 200 für das Herstellen des Presssitzes erwärmt werden. Dadurch wird eine Hochtemperaturentmagnetisierung der Magnete durch das Erwärmen vermieden.
Da in dieser Ausführungsform kein ”thermisches Einsetzverfahren” verwendet wird, kann das Rotorteil 300 fest an der Welle 200 befestigt werden, obwohl ein Material mit einem kleinen Längenausdehnungskoeffizienten wie Carbonfaser, Titan oder Glasfaser verwendet wird.
Gemäß der Ausführungsform wird es durch eine passende Einstellung des Ausmaßes (Verjüngungsverhältnis, Neigungswinkel gegen die axiale Richtung) der sich verjüngenden Flächen 202 und 306 möglich, einfach und unabhängig eine Pressung zwischen der Hülse 301 und dem rohrförmigen Teil 321 festzulegen. Damit ist die Anwendung des Rotorteils 300 auf Elektromotore unterschiedlicher Typen und Größen möglich.
Man beachte, dass die sich verjüngende äußere Umfangsfläche 202 und die sich verjüngende innere Umfangsfläche 306 bevorzugt mit einem Verjüngungsverhältnis im Bereich von 1/1000 bis 1/30 bereitgestellt werden. Dieser Wertebereich wird im Weiteren beschrieben. Wird die Hülse 301 in den Presssitz auf der Welle 200 gedrückt, wobei das Verjüngungsverhältnis an der Obergrenze (1/30) ist, so wird eine elastische Zusammendrückkraft von der Hülse 301 in radialer Richtung nach innen auf die Welle 200 ausgeübt. Unmittelbar nach dem Herstellen des Presssitzes der Hülse 301 auf der Welle 200 bewirkt die elastische Zusammendrückkraft, dass sich die Hülse 301 entlang der sich verjüngenden äußeren Umfangsfläche 202 von der Welle 200 wegbewegt.
Folglich hat der Erfinder der Erfindung aus den Ergebnissen von Untersuchungen herausgefunden, dass ein größeres Verjüngungsverhältnis als 1/30 (beispielsweise 1/10, 1/5) die folgenden nachteiligen Schwierigkeiten verursachen würde. Wird der Presssitz der Hülse 301 auf der Welle 200 erzeugt, so neigt die Kraft der Hülse 301, die von der Welle 200 wegzieht, dazu, die Reibungskraft zwischen der Hülse 301 und der Welle 200 zu übersteigen. Dies würde dazu führen, dass die Hülse 301 von der Welle 200 abfällt.
Bei einem Verjüngungsverhältnis größer als 1/30 wird eine ziemlich große Kraft zum Herstellen des Presssitzes der Hülse 301 auf der Welle 200 benötigt, die eine größere Fertigungsmaschine erfordert. Unter diesem Gesichtspunkt wird bevorzugt, das Verjüngungsverhältnis mit einem Maximalwert von 1/30 festzusetzen.
Hinsichtlich des Minimalwerts (1/1000) für das Verjüngungsverhältnis gilt, dass bei einem Verjüngungsverhältnis kleiner als 1/1000 eine längere axiale Entfernung (die bereits genannte Entfernung x) nötig ist, damit beim Herstellen des Presssitzes zwischen der Hülse 301 und der Welle 200 ein vorbestimmtes Übermaß (⌀0,5 mm im genannten Beispiel) erreicht wird. Dies beeinträchtigt einen wirksamen Betrieb. Zudem kann ein kleineres Verjüngungsverhältnis als 1/1000 zu Bearbeitungsfehlern im tatsächlichen Bearbeitungsvorgang führen. Unter diesem Gesichtspunkt beträgt der Minimalwert des Verjüngungsverhältnisses bevorzugt 1/1000. Unter dem genannten Gesichtspunkt beträgt der Minimalwert des Verjüngungsverhältnisses besonders bevorzugt 1/200, und zwar hinsichtlich der tatsächlichen Herstellungskosten. Dieser Minimalwert erlaubt Dreh- und Schneidevorgänge.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Bewegungsverhinderungsstruktur zwischen der Hülse 301 und den Magnetsegmenten 311 bereitgestellt werden, damit eine Relativbewegung zwischen der Hülse 301 und den Magnetsegmenten 311 verhindert wird. Diese Struktur wird nun mit Hilfe von 20 bis 22 beschrieben. Bezugszeichen, die sich nicht von der beschriebenen Ausführungsform unterscheiden, werden wieder für vergleichbare Teile verwendet, die nicht mehr erklärt werden.
Zunächst wird ein Läuferteil 500 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung anhand von 20 beschrieben. Der Abschnitt (a) in 20 entspricht dem Abschnitt (a) in 19 und zeigt ein Läuferteil 500, das mit Presssitz auf der Welle 200 anzubringen ist. Der Abschnitt (b) in 20 entspricht dem Abschnitt (b) in 19 und zeigt das Läuferteil 500 im Presssitz auf der Welle 200.
Das Läuferteil 500 dieser Ausführungsform enthält eine Bewegungsverhinderungsstruktur 501 auf der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 hat die Aufgabe, eine Relativbewegung der Hülse 301 gegen die Magnetsegmente 311 zu verhindern, und sie ist so ausgelegt, dass der Reibungskoeffizient zwischen der Hülse 301 und den Magnetsegmenten 311 erhöht wird. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 kann beispielsweise eine Kunststoffüberzugsschicht mit hoher Reibung, eine haftende Kunststoffschicht, eine durch Sandstrahlen hergestellte Schicht, eine Überzugsschicht, die Material zum Verbessern des Reibungskoeffizienten enthält, und eine Schicht umfassen, bei der der Reibungskoeffizient durch eine chemische Oberflächenbehandlung verbessert wurde.
Die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 kann aus einem Vorsprung bestehen, der sich in radialer Richtung aus der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 hinaus erstreckt. In diesem Fall kann das Magnetsegment 311 an der inneren Umfangsfläche 316 einen Eingreifabschnitt enthalten, der den Vorsprung aufnimmt. Besteht die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 aus einer Überzugsschicht, so liegt ihre Dicke bevorzugt zwischen 0,01 und 0,1 mm.
Besteht die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 aus dem Vorsprung, der sich in radialer Richtung aus der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 hinaus erstreckt, so beträgt die Höhe des Vorsprungs bevorzugt 0,5 mm oder mehr und 1/3 oder weniger als die Dicke der Magnetsegmente 311. Der Bereitstellvorgang der Bewegungsverhinderungsstruktur 501 der Hülse 301 kann im Schritt S1 zusammen mit dem Schneidevorgang der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 vorgenommen werden, oder er kann im Schritt S4 vor dem Anordnen der Magnetsegmente 311 auf der Hülse 301 vorgenommen werden.
Wird wie im Abschnitt (b) in 20 dargestellt die Hülse 301 in radialer Richtung nach außen um ein Übermaß gegen die Welle 200 gedehnt, damit der Spalt 330 gefüllt wird, so bilden die äußere Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und die inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 zusammen einen flächenhaften Kontakt über die Bewegungsverhinderungsstruktur 501 aus. Das Bereitstellen des Spalts 330 verhindert Brüche in den Magnetsegmenten 311 durch die Ausdehnung der Hülse 301 in radialer Richtung.
Durch den flächenhaften Kontakt zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und den inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 wird eine Relativbewegung der Magnetsegmente 311 gegen die Hülse 301 und das rohrförmige Teil 321 bei hohen Drehzahlen des Läuferteils 500 bei Betrieb des Elektromotors 100 wirksam verhindert.
Das Läuferteil 510 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von 21 beschrieben. Der Abschnitt (a) in 21 entspricht dem Abschnitt (a) in 19 und zeigt ein Läuferteil 510, das mit Presssitz auf der Welle 200 anzubringen ist. Der Abschnitt (b) in 21 entspricht dem Abschnitt (b) in 19 und zeigt das Läuferteil 510 im Presssitz auf der Welle 200.
Das Läuferteil 510 dieser Ausführungsform enthält eine Bewegungsverhinderungsstruktur 511 auf der inneren Umfangsfläche 316 des zugehörigen Magnetsegments 311. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 511 ist in ähnlicher Weise dafür ausgelegt, den Reibungskoeffizienten zwischen der Hülse 301 und dem Magnetsegment 311 zu erhöhen. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 511 kann aus einem Vorsprung bestehen, der sich in radialer Richtung aus der inneren Umfangsfläche 316 des Magnetsegments 311 heraus erstreckt.
Wird wie im Abschnitt (b) in 21 dargestellt die Hülse 301 in radialer Richtung nach außen gedehnt, damit der Spalt 330 gefüllt wird, so bilden die äußere Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und die inneren Umfangsflächen 316 der Magnetsegmente 311 zusammen einen flächenhaften Kontakt über die Bewegungsverhinderungsstruktur 511 aus. Eine solche Anordnung verhindert wirksam eine Relativbewegung des Magnetsegments 311 gegen die Hülse 301 und das rohrförmige Teil 321 bei hohen Drehzahlen des Läuferteils 510 bei Betrieb des Elektromotors 100.
Der Bereitstellvorgang der Bewegungsverhinderungsstruktur 511 auf der inneren Umfangsfläche 316 des Magnetsegments 311 kann im Schritt S2 zusammen mit dem Herstellen der Magnetsegmente 311 erfolgen, oder er kann im Schritt S4 vor dem Anordnen der Magnetsegmente 311 auf der Hülse 301 vorgenommen werden.
Das Läuferteil 520 noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird anhand von 22 beschrieben. Der Abschnitt (a) in 22 entspricht dem Abschnitt (a) in 19 und zeigt ein Läuferteil 520, das mit Presssitz auf der Welle 200 anzubringen ist. Der Abschnitt (b) in 22 entspricht dem Abschnitt (b) in 19 und zeigt das Läuferteil 520 im Presssitz auf der Welle 200.
Die Bewegungsverhinderungsstruktur 521 im Läuferteil 520 dieser Ausführungsform ist unabhängig ausgebildet und zwischen die Hülse 301 und das zugehörige Magnetsegment 311 eingesetzt. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 521 weist einen beträchtlichen Reibungskoeffizienten gegen die Hülse 301 und das Magnetsegment 311 auf. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 521 kann beispielsweise aus einem Reibungsbogen mit einer verarbeiteten Oberfläche bestehen, die den Reibungskoeffizienten erhöht, einem Klebebogen mit Klebstoff auf der Oberfläche, oder einem Gummituch, das beispielsweise aus NBR oder Silikon hergestellt ist, das eine Haftfähigkeit aufweist. Die Bewegungsverhinderungsstruktur 521 hat bevorzugt eine Dicke von 0,03 bis 0,1 mm.
Wie im Abschnitt (b) in 22 dargestellt füllt das Ausdehnen der Hülse 301 in der radialen Richtung nach außen den Spalt 330 und erzeugt dadurch einen flächenhaften Kontakt zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 der Hülse 301 und der inneren Umfangsfläche 316 des Magnetsegments 311 über die Bewegungsverhinderungsstruktur 521. Durch diese Anordnung bewegen sich die Magnetsegmente 311 bei hohen Drehzahlen des Läuferteils 520 bei Betrieb des Elektromotors 100 nicht gegen die Hülse 301 und das rohrförmige Teil 321.
Die obige Ausführungsform ist mit kreisbogenförmigen Magnetsegmenten beschrieben, die einen gewissen Krümmungsradius aufweisen. Die Magnetsegmente können jedoch auch anders geformt sein. Eine solche Anordnung wird mit Hilfe von 23 beschrieben.
23 zeigt ein Läuferteil 600 noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Der Abschnitt (a) von 23 zeigt eine äußere Ansicht des Läuferteils 600 gesehen aus der axialen Richtung, und der Abschnitt (b) in 23 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des Abschnitts (a).
Das Läuferteil 600 umfasst eine Hülse 601, eine Anzahl Magnetsegmente 611, die in radialer Richtung außerhalb der Hülse 601 angeordnet sind, und ein rohrförmiges Teil 321, das die Magnetsegmente 611 radial von außen bedeckt.
Die Hülse 601 dieser Ausführungsform enthält konkave nach innen gerichtete Vertiefungen 602 in der äußeren Umfangsfläche 604. Die Vertiefungen 602 erstrecken sich axial von einem axialen Ende der Hülse 601 zum anderen axialen Ende der Hülse und sind jeweils durch eine im Wesentlichen ebene Bodenfläche und Umfangsendflächen bestimmt, die von den jeweiligen Umfangsenden der Bodenfläche emporstehen. Die Vertiefungen 602 sind mit gleichmäßigen Abständen über den Umfang der äußeren Umfangsfläche 604 verteilt. Zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 602 befindet sich ein konvexer Vorsprung 603, der von der Bodenfläche der Vertiefungen 602 in radialer Richtung nach außen vorsteht.
Die Magnetsegmente 611 umfassen jeweils eine innere Umfangsfläche 616 an ihrer radialen Innenseite und eine äußere Umfangsfläche 617 an ihrer radialen Außenseite. In dieser Ausführungsform hat die äußere Umfangsfläche 617 des Magnetsegments 611 eine gekrümmte Oberfläche wie in der vorstehenden Ausführungsform. Dagegen ist die innere Umfangsfläche 616 des Magnetsegments 611 im Wesentlichen eben.
Im zusammengebauten Läuferteil 600, siehe 23, befinden sich die Magnetsegmente 611 in den entsprechenden Vertiefungen 602, die in der Hülse 601 ausgebildet sind, damit eine flächenhafte Berührung zwischen den inneren Umfangsflächen 616 der Magnetsegmente 611 und den Bodenflächen der Vertiefungen 602 möglich ist. Die Vorsprünge 603 am Umfang zu beiden Seiten der jeweiligen Vertiefung 602 verhindern eine Bewegung der Magnetsegmente 611 in Umfangsrichtung.
Jede Vertiefung 602 kann axiale Endflächen aufweisen, die von den zwei axialen Enden der Bodenfläche der Vertiefung 602 vorstehen. In diesem Fall verhindern die axialen Enden der Vertiefung 602, dass sich die Magnetsegmente 611 in axialer Richtung bewegen.
Bei dieser Ausführungsform ist der Anordnungsvorgang der Magnetsegmente 611 auf der radialen Außenseite der Hülse 601 im Schritt S4 einfacher. Zusätzlich kann man eine Relativbewegung der Magnetsegmente 611 gegen die Hülse 601 bei Betrieb eines Elektromotors verhindern, in dem das Läuferteil 600 verwendet wird.
Mit Hilfe von 24 wird ein Läuferteil 700 noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie in der vorherigen Ausführungsform werden gleiche Bezugszeichen für vergleichbare Elemente verwendet, die nicht nochmals beschrieben werden. Das Läuferteil 700 umfasst eine rohrförmige Hülse 701, eine Anzahl Magnetsegmente 311, die in radialer Richtung außerhalb der Hülse 301 angeordnet sind, und ein rohrförmiges Teil 321, das die Magnetsegmente 311 in radialer Richtung von außen bedeckt.
Die Hülse 701 ist aus einem rohrförmigen Teil hergestellt, das eine Mittenachsenlinie O₂ aufweist, und umfasst ein erstes Ende 702 an der axialen Rückseite (d. h. der ersten axialen Seite), ein zweites Ende 703 an der axialen Vorderseite (d. h. der zweiten axialen Seite), und eine zylindrische äußere Umfangsfläche 704, die sich in axialer Richtung erstreckt. Die Hülse 701 hat einen Vorsprung 705, der in radialer Richtung aus der äußeren Umfangsfläche 704 (zylindrische Fläche) nach außen vorsteht, und zwar am axial rückwärtigen Ende der Hülse. Der Vorsprung 705 ist ein Beispiel für das einfache Anordnen der Magnete in der axialen Richtung während des Herstellungsvorgangs.
Die Hülse 701 umfasst eine zylindrische Fläche 704, die sich vom ersten Ende 702 radial nach vorn erstreckt, eine sich verjüngende innere Umfangsfläche 705 und eine sich verjüngende innere Umfangsfläche 706, die sich beide kontinuierlich in der axialen Vorwärtsrichtung radial nach außen erweitern. Der Radius der zylindrischen Fläche 704 ist in der Richtung vom ersten Ende 702 zum zweiten Ende 703 konstant.
Die erste sich verjüngende innere Umfangsfläche 705 ist eine konische Fläche, die von einer axial vorderen Endkante 704A der zylindrischen Fläche 704 ausgeht und einen ersten Neigungswinkel θ₁ gegen die Achse O₂ hat. Die zweite sich verjüngende innere Umfangsfläche 706 ist eine konische Fläche, die von einer axial vorderen Endkante 705A der ersten sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 705 zum axialen Vorderende des zweiten Endes 703 verläuft und einen zweiten Neigungswinkel θ₂ gegen die Achse O₂ hat. Der erste Winkel θ₁ ist kleiner ausgelegt als der zweite Winkel θ₂.
Wie beschrieben werden in der Erfindung Permanentmagnetsegmente verwendet, die nicht ringförmig sind, sondern zumindest in der Umfangsrichtung geteilt sind. Beim Befestigen der Hülse an der Welle werden die sich verjüngenden Flächen dazu verwendet, die Hülse für einen Presssitz auf der Welle auszudehnen. Dadurch kann man der Hülse und dem rohrförmigen Teil eine Pressung verleihen, die größer ist als bei einem thermischen Einsetzen. Dies erlaubt eine haltbare Befestigung der Magnetsegmente und der Hülse an der Welle. Da die Magnetsegmente in der Umfangsrichtung unterteilt sind, brechen die Magnetsegmente auch bei einer starken Pressung nicht, wodurch die Magnetsegmente fest zwischen der Hülse und dem rohrförmigen Teil gehalten werden. Dies festigt die Struktur des Rotorteils weiter. Dadurch kann ein Rotorteil für eine rotierende elektrische Maschine geliefert werden, die mit höherer Drehzahl zu betreiben ist.
Zudem kann der Befestigungsvorgang der Hülse an der Welle vereinfacht werden, und komplizierte Fertigungsmaschinen sind überflüssig. Dadurch erhält man eine verbesserte Herstellungseffizienz und verringerte Herstellungskosten.
Da die Magnetsegmente in der Umfangsrichtung unterteilt sind, werden Brüche in den Magnetsegmenten durch die Ausdehnung der Hülse in radialer Richtung beim Befestigungsvorgang der Hülse an der Welle wirksam unterbunden. Daher treten auch bei einer Befestigung zwischen dem Rotorteil und der Welle mit großer Pressung keine Brüche in den Magneten auf. Somit kann das Rotorteil verglichen mit jeglichen herkömmlichen Rotorteilen mit einer höheren Drehzahl betrieben werden.
Die in der Umfangsrichtung unterteilten Magnetsegmente erlauben eine einfache Produktion der Magnetsegmente und den Gebrauch relativ großer Magnetsegmente. Durch den Gebrauch großer Magnetsegmente kann man rotierende elektrische Maschinen mit höherem Drehmoment herstellen, die man mit ringförmigen Magneten nicht erhält. Damit kann sich eine rotierende elektrische Maschine der Erfindung mit größerem Drehmoment und höherer Drehzahl drehen, und eine rotierende elektrische Maschine mit erhöhter Leistungsabgabe kann bereitgestellt werden.
Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform acht Magnetsegmente in der Umfangsrichtung angeordnet sind, kann eine beliebige Anzahl von Magnetsegmenten unter der Randbedingung verwendet werden, dass zwei oder mehr Magnetsegmente in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Zudem kann sich zwischen zwei benachbarten Magnetsegmenten ein Spalt befinden, oder sie können sich berühren.
Die sich verjüngende äußere Umfangsfläche der Welle und die sich verjüngende innere Umfangsfläche der Hülse können neben der sich geradlinig verjüngenden Fläche eine sich verjüngende Fläche enthalten, deren Krümmungsradius sich in axialer Richtung verändert, und zwar wie eine sich gemäß einer Exponentialfunktion verjüngende Fläche.
In der beschriebenen Ausführungsform wird das rohrförmige Teil mit einem Presssitz auf die radiale Außenseite der Magnetsegmente 311 aufgebracht (Schritt S5). Es kann jedoch auch ein Material in Form eines Streifens, eines Riemens, eines Bogens oder eines Fadens auf die radiale Außenseite der Magnetsegmente 311 aufgebracht werden, damit das Rotorteil 300 zusammengebaut wird.
In den obigen Ausführungsformen ist die Erfindung angewendet auf einen Elektromotor beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch passend auf irgendeine rotierende elektrische Maschine angewendet werden, zu denen ein Generator gehört.
Die Erfindung wurde mit Ausführungsformen beschrieben, durch die jedoch nicht beabsichtigt ist, den Bereich der Erfindung einzuschränken, der in den Ansprüchen angegeben ist. Ferner sind nicht alle Kombinationen der in den Ausführungsformen beschriebenen Merkmale dafür gedacht, dass sie für die Merkmale oder Verfahren der Erfindung erforderlich sind. Zudem ist ein Fachmann leicht in der Lage, die beschriebenen Ausführungsformen abzuwandeln oder zu überarbeiten. Aus den Ansprüchen geht klar hervor, dass beliebige Ausführungsformen mit solchen Abwandlungen oder Veränderungen im technischen Bereich der Erfindung enthalten sind.
Man bevorzugt, dass eine Ausführungsprozedur in jedem Prozess einschließlich der Bewegungen, Prozesse, Schritte und Stufen in den Vorrichtungen, Systemen, Programmen und Verfahren, die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben sind, nicht ”vor” und ”vorher” spezifizieren, und dass sie daher in jeder beliebigen gewünschten Reihenfolge ausgeführt werden können, so lange keine vorhergehende Ausgabe in einem nachfolgenden Prozess verwendet wird. Zur Vereinfachung können die Begriffe ”erste” und ”nächste” in jedem beliebigen Anspruch, der Beschreibung und den Handlungsabläufen in den Zeichnungen verwendet werden, ohne dass sie irgendeine Reihenfolge der Ausführung festlegen.
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

JP 11-89142 [0002]

Claims

Rotorteil (300), das mit einem Presssitz fest an der Welle (200) einer rotierenden elektrischen Maschine (100) zu befestigten ist, wobei das Rotorteil (300) umfasst: eine rohrförmige Hülse (301), die ein erstes Ende (302) an einer ersten Seite in axialer Richtung hat und ein zweites Ende (303) an einer zweiten Seite in axialer Richtung; eine Anzahl Magnetsegmente (311), die in Umfangsrichtung radial außerhalb der Hülse (301) angeordnet sind; und ein rohrförmiges Teil (321), das die Anzahl Magnetsegmente (311) in radialer Richtung von außen bedeckt, damit die Magnetsegmente (311) zwischen dem rohrförmigen Teil (321) und der Hülse (301) gehalten werden, wobei: die Hülse (301) eine innere Umfangsfläche aufweist, die eine sich verjüngende Fläche (306) umfasst, die sich kontinuierlich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung vom ersten Ende (302) zum zweiten Ende (303), die innere Umfangsfläche der Hülse (301) keinen Abschnitt enthält, an dem sich der Radius der inneren Umfangsfläche in der Richtung vom ersten Ende (302) zum zweiten Ende (303) verringert.
Rotorteil nach Anspruch 1, wobei die sich verjüngende Fläche (306) der Hülse (301) eine sich geradlinig verjüngende Fläche ist, oder sie eine Anzahl sich geradlinig verjüngender Flächen umfasst, die miteinander verbunden sind und gegen eine Drehachse unter jeweils unterschiedlichen Winkeln geneigt sind.
Rotorteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Umfangsfläche der Hülse (701) eine zylindrische Fläche (704) mit einem konstanten Radius aufweist und sich vom ersten Ende (702) hin zum zweiten Ende (703) erstreckt, wobei die sich verjüngende Fläche eine sich geradlinig verjüngende Fläche umfasst, die von der zylindrischen Fläche (704) hin zum zweiten Ende (703) verläuft.
Rotorteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei die sich geradlinig verjüngenden Fläche ein Verjüngungsverhältnis von 1/200 bis 1/30 aufweist.
Rotorteil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hülse (301) kein Loch mit einer Öffnung an der inneren Umfangsfläche der Hülse (301) umfasst.
Rotorteil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der Hülse (301) und den Magnetsegmenten (311) zumindest teilweise ein Spalt (330) ausgebildet ist.
Rotorteil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die äußere Umfangsfläche der Hülse (301) zylindrisch ist, und die innere Umfangsfläche (316) eines jeden Magnetsegments (311) kreisbogenförmig ist und einen Krümmungsradius hat, der größer ist als der Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche (304) der Hülse (301).
Rotorteil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, zudem umfassend eine Bewegungsverhinderungsstruktur (501), damit eine Relativbewegung zwischen der Hülse (301) und den Magnetsegmenten (311) verhindert wird.
Rotorteil nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das rohrförmige Teil (321) umfasst: Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylenterephthalatfaser; faserverstärkten Kunststoff, der Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybutylen-terephthalatfaser enthält; oder nicht magnetisches Metall.
Läufer (400), umfassend: eine Welle (200) mit einer äußeren Umfangsfläche (202), die sich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung von einer ersten Seite in axialer Richtung zu einer zweiten Seite in axialer Richtung; und das Rotorteil (300) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Rotorteil (300) an der Welle (200) an einer radialen Außenseite der Welle (200) so befestigt ist, dass das zweite Ende (303) der Hülse (301) an der zweiten Seite in axialer Richtung der Welle (200) bezogen auf das erste Ende (302) der Hülse (301) angeordnet ist, wobei die Hülse (301) verformt wird, damit sie sich durch die Welle (200) radial nach außen dehnt, wenn das Rotorteil (300) an der Welle (200) befestigt wird, so dass die äußere Umfangsfläche (304) der Hülse (301) und die inneren Umfangsflächen (316) der Magnetsegmente (311) einander unter Druck berühren.
Läufer nach Anspruch 10, wobei sich die innere Umfangsfläche der Hülse (301) und die äußere Umfangsfläche (202) der Welle (200) mit nahezu den gesamten Flächen berühren, über denen das rohrförmige Teil (321) angebracht ist.
Läufer nach Anspruch 10 oder 11, wobei sich die Hülse (301) über ihren elastischen Verformungsbereich hinaus verformt.
Rotierende elektrische Maschine (100), die den Läufer (400) nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12 enthält.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei das rohrförmige Teil (321) eine Pressung hat, bei der das Befestigungsdrehmoment zwischen der Hülse (301) und der Welle (200) das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine (100) bei der zulässigen Drehzahl übersteigt, und das Befestigungsdrehmoment zwischen den Magnetsegmenten (311) und der Hülse (301) das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine (100) bei der zulässigen Drehzahl übersteigt.
Verfahren zum Herstellen eines Rotorteils (300), das mit einem Presssitz an einer Welle (200) zu befestigen ist, umfassend: das Anordnen einer Anzahl Magnetsegmente (311) in der Umfangsrichtung auf einer äußeren Umfangsfläche (304) der rohrförmigen Hülse (301), die ein erstes Ende (302) an einer ersten Seite in axialer Richtung hat, ein zweites Ende (303) an einer zweiten Seite in axialer Richtung, und eine innere Umfangsfläche, die eine sich verjüngende Fläche (306) umfasst, die sich kontinuierlich radial nach außen erweitert, und zwar in der Erstreckungsrichtung vom ersten Ende (302) zum zweiten Ende (303); und das Anordnen eines rohrförmigen Teils (321) zum Bedecken der Anzahl Magnetsegmente (311) von außen in radialer Richtung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Anordnens des rohrförmigen Teils (321) das direkte Wickeln eines Materials des rohrförmigen Teils (321) um die äußere Umfangsfläche der Magnetsegmente (311) umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Läufers (400) für eine rotierende elektrische Maschine (100), der das Rotorteil (300) enthält, das mit dem Verfahren nach Anspruch 15 oder 16 hergestellt wird, umfassend: das Bereitstellen einer Welle (200), die eine äußere Umfangsfläche (202) in einem Bereich hat, an dem das Rotorteil (300) befestigt wird, wobei sich die äußere Umfangsfläche (202) in der Erstreckungsrichtung von einer ersten Seite in axialer Richtung zu einer zweiten Seite in axialer Richtung radial nach außen erweitert; und das Befestigen des Rotorteils (300) in radialer Richtung außen an der Welle (200) durch einen Presssitz, wobei der Schritt des Befestigens des Rotorteils (300) mit einem Presssitz umfasst: das Anbringen der Hülse (301) auf der Welle (200) von der ersten Seite in axialer Richtung, so dass das zweite Ende (303) der Hülse (301) an der zweiten Seite in axialer Richtung der Welle (200) gegenüber dem ersten Ende (302) angeordnet wird; das Anbringen der Hülse (301) auf der Welle (200) mit einem Presssitz, indem das erste Ende (302) der Hülse (301) auf die zweite Seite in axialer Richtung geschoben wird; und das Bewirken, dass sich die Hülse (301) durch die Kraft der Hülse (301) im Presssitz radial nach außen dehnt, wodurch die Hülse (301) im Presssitz an einer vorbestimmten Befestigungsposition angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Rotorteil (300) zumindest stückweise einen Spalt (330) zwischen der Hülse (301) und den Magnetsegmenten (311) enthält, wobei im Befestigungsschritt des Rotorteils (300) durch Presssitz die äußere Umfangsfläche (304) der Hülse (301) und die inneren Umfangsflächen (316) der Magnetsegmente (311) in eine flächenhafte Berührung zueinander gebracht werden, und zwar auf nahezu der gesamten Fläche, indem die Hülse (301) radial nach außen gedehnt wird, damit der Spalt (330) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die äußere Umfangsfläche (304) der Hülse (301) zylindrisch ist, und die innere Umfangsfläche (316) eines jeden Magnetsegments (311) die Form eines Kreisbogens hat und einen Krümmungsradius hat, der größer ist als der Radius der äußeren Umfangsfläche (304) der Hülse (301), wobei im Befestigungsschritt des Rotorteils (300) durch Herstellen eines Presssitzes die äußere Umfangsfläche (304) der Hülse (301) und die inneren Umfangsflächen (316) der Magnetsegmente (311) in eine flächenhafte Berührung zueinander gebracht werden, indem die Hülse (301) radial nach außen gedehnt wird.