DE102014217914A1

DE102014217914A1 - Verfahren zum Herstellen einer Rotoreinheit eines permanent erregten Synchronmotors und Rotoreinheit

Info

Publication number: DE102014217914A1
Application number: DE102014217914.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Triller; Thomas Mann; Eugen Bernarding
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-03-10
Also published as: WO2016037983A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoreinheit eines permanent erregten Synchronmotors und eine Rotoreinheit beschrieben. Bei dem Verfahren werden ein Blechelementpaket und Permanentmagneten bereitgestellt. Die Permanentmagneten werden in Zwischenräume zwischen Verbindungsstegen des Blechelementpaketes eingesetzt. Das das Blechelementpaket und die Permanentmagneten umfassende Gebilde wird in ein Kunststoffumspritzwerkzeug eingeführt, und es wird ein Umspritzprozess zum Erhalt einer das Blechelementpaket und die darin fixierten Permanentmagneten umfassenden Rotoreinheit durchgeführt. In Weiterbildung dieses Verfahrens wird die Rotoreinheit durch einen derartigen Umspritzprozess auf einer Welle fixiert. Auf diese Weise wird über ein einfaches und kostengünstiges Verfahren eine robuste Rotoreinheit hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoreinheit eines permanent erregten Synchronmotors. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Rotoreinheit.
Der Materialkostenanteil bei derartigen Rotoreinheiten, insbesondere für den Einsatz in kompakten Hochleistungs-BLDC-Motoren (Bürstenlosen Gleichstrommotoren), ist aufgrund der Verwendung der erforderlichen Permanent-Magnete, die insbesondere aus seltenen Erden hergestellt werden, sehr hoch. Man ist daher bei derartigen Motoren bestrebt, den Magnetmaterialanteil so weit wie möglich zu reduzieren, ohne die Leistung des Motors herabzusetzen. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, die Magnete in Weicheisenmaterial einzubetten. Speziell sind hierbei die Magnete, wie bei der „Sammlerbauweise“ üblich, speichenförmig angeordnet. Zwischen den einzelnen Magneten werden Weicheisenkerne angeordnet, die den magnetischen Fluss führen.
Die Weicheisenkerne werden hierbei aus einzelnen übereinander angeordneten Blechelementen hergestellt, die zu einem Blechelementpaket zusammengefasst werden. Zur einfacheren Handhabung und Stabilisierung eines derartigen einteiligen Elementpaketes müssen die einzelnen dünnen Blechelemente über dünne Stege mit einem umlaufenden Ring im Zentrum der Rotoreinheit verbunden werden. Um dabei die Magnetflussverluste so gering wie möglich zu halten, müssen die Zahl und der Querschnitt der Verbindungsstege sowie auch der Ringquerschnitt so klein bzw. schmal wie möglich gehalten werden.
Der Weicheisenbereich einer derartigen Rotoreinheit wird daher von einem Paket aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten und aneinander fixierten Blechelementen gebildet. Jedes Blechelementpaket besitzt eine Vielzahl von Weicheisenkernabschnitten, einen Ring im Zentrum der Rotoreinheit und die Weicheisenkernabschnitte mit dem Ring verbindende dünne Verbindungsstege. Bei derartigen Rotoreinheiten kommt es darauf an, die einzelnen Permanentmagneten mit dem Blechelementpaket auf einfache und kostengünstige Weise derart miteinander zu verbinden, dass eine robuste Rotoreinheit erhalten wird, die entsprechenden Betriebsbelastungen ausgesetzt werden kann. Erfindungsgemäß soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem sich robuste Rotoreinheiten auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoreinheit eines permanent erregten Synchronmotors gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Blechelementpaketes, das eine Vielzahl von radial äußeren Weicheisenkernabschnitten und einen zentralen Ring, die über Verbindungsstege miteinander verbunden sind, besitzt;
b. Bereitstellen von Permanentmagneten;
c. Einsetzen der Permanentmagnete in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen des Blechelementpaketes;
d. Einführen des das Blechelementpaket und die Permanentmagneten umfassenden Gebildes in ein Kunststoffumspritzwerkzeug; und
e. Durchführen eines Umspritzprozesses zum Erhalt einer das Blechelementpaket und die darin fixierten Permanentmagneten umfassenden Rotoreinheit.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine sichere Fixierung der Permanentmagneten zwischen den einzelnen Verbindungsstegen des Blechelementpaketes erreicht. Dabei wird vorzugsweise so vorgegangen, dass die Permanentmagneten in das Blechelementpaket eingeschoben werden, so dass sie in diesem fixiert sind und mit dem zentralen Ring, den seitlichen Verbindungsstegen und den Weicheisenkernabschnitten in Kontakt stehen. Das mit den Permanentmagneten versehene Blechelementpaket wird dann in ein Kunststoffumspritzwerkzeug eingeführt, und es wird ein Umspritzvorgang durchgeführt. Hierbei wird das das Blechelementpaket und die Permanentmagneten enthaltende Gebilde vorzugsweise auf seinen axialen Seiten und seiner Umfangsfläche umspritzt. Die auf diese Weise hergestellte einstückige Rotoreinheit kann dann über einen Pressverband mit einer Welle verbunden werden, die sich durch die Öffnung im zentralen Ring des Blechelementpaketes erstreckt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass in einigen Fällen der dünne Ringquerschnitt nicht ausreichend stabil für einen Pressverband mit einer Welle ist. Für diesen Fall schlägt die Erfindung eine besonders bevorzugte Alternative vor, bei der das Herstellverfahren für die Rotoreinheit die folgenden Schritte nach Schritt c umfasst:

f. Einschieben einer Welle in die im zentralen Ring vorhandene Öffnung, wobei zwischen Innenumfang des zentralen Ringes und der Welle ein Spalt vorhanden ist;
g. Einführen des das Blechelementpaket, die Permanentmagneten und die Welle umfassenden Gebildes in ein Kunststoffumspritzwerkzeug; und
h. Durchführen eines Umspritzprozesses zum Erhalt einer das Blechelementpaket, die Permanentmagneten und die Welle umfassenden Rotoreinheit, bei der der Spalt durch den Umspritzprozess mit Kunststoff verfüllt ist.

Bei dieser Verfahrensvariante werden daher gleichzeitig Blechelementpaket, Permanentmagneten und Welle durch einen einzigen Umspritzvorgang aneinander fixiert. Dieses Verfahren läuft daher besonders einfach und kostengünstig ab. Auch hierbei werden wiederum vorzugsweise die beiden axialen Seiten des Gebildes sowie die Umfangsfläche desselben umspritzt.
Bei noch einer anderen Variante wird das Verfahren zweistufig durchgeführt, wobei in einem ersten Verfahrensabschnitt die Schritte a bis e durchgeführt werden und nachher in einem zweiten Verfahrensabschnitt eine Welle in die im zentralen Ring vorhandene Öffnung geschoben und das die Rotoreinheit und Welle umfassende Gebilde in ein Kunststoffumspritzwerkzeug eingeführt und ein Umspritzprozess zur Fixierung der Welle durchgeführt wird.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Variante dadurch, dass hier Blechelementpaket, Permanentmagneten und Welle nicht in einem einzigen Prozess miteinander verbunden werden, sondern dass stattdessen ein zweistufiger Verfahrensablauf gewählt wird.
Was die Fixierung der Welle in der Öffnung des zentralen Ringes anbetrifft, so wird ein Blechelementpaket bereitgestellt, bei dem zwischen Innenumfang des zentralen Ringes und der Welle ein Spalt vorhanden ist, der durch den Umspritzprozess mit Kunststoffmaterial verfüllt wird. Hiermit wird sichergestellt, dass die Verbindung zwischen dem Blechelementpaket und der Welle über Kunststoff erfolgt, so dass eine besonders sichere Fixierung des Rotors an der Welle erreicht wird.
Um die Verbindung zwischen Blechelementpaket (zentralem Ring) und Welle noch zu verbessern, wird bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Oberfläche der Welle und/oder die Innenfläche des zentralen Ringes im Befestigungsbereich der Rotoreinheit vor der Umspritzung mit einer Erhöhungen und Vertiefungen aufweisenden Konturierung versehen. Damit wird erreicht, dass die durch den Umspritzvorgang aufgebrachte Kunststoffmasse besonders sicher auf der Welle haftet. Natürlich können hierbei auch Bauteile verwendet werden, die diese Konturierungen bereits von Hause aus besitzen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Rotoreinheit mit einem Blechelementpaket, das eine Vielzahl von radial äußeren Weicheisenkernabschnitten und einen zentralen Ring, die über Verbindungsstege miteinander verbunden sind, besitzt, und mit in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen eingesetzten Permanentmagneten. Diese Rotoreinheit ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten durch eine Kunststoffumspritzung der Rotoreinheit in den Zwischenräumen fixiert sind.
Hierdurch wird eine robuste Rotoreinheit geschaffen, bei der die einzelnen Permanentmagneten in speichenförmiger Anordnung sicher im Blechelementpaket (Weicheisenmaterial) „vergraben“ sind.
Die Herstellung einer derartigen Rotoreinheit erfolgt vorzugsweise mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Rotoreinheit ferner eine in die Öffnung des zentralen Ringes eingesetzte Welle auf, die durch die Kunststoffumspritzung der Rotoreinheit in dieser fixiert ist. Dabei ist die Welle über einen mit Kunststoff gefüllten Ringspalt mit dem zentralen Ring verbunden.
Die Rotoreinheit ist vorzugsweise auf beiden axialen Seiten und auf ihrer Umfangsfläche mit Kunststoff umspritzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Rotoreinheit; und
2 einen Axialschnitt durch die in 1 dargestellte Rotoreinheit.
Die in den Figuren gezeigte Rotoreinheit besitzt ein aus einzelnen Blechelementen zusammengesetztes Blechelementpaket, das eine Vielzahl von radial äußeren Weicheisenkernabschnitten 1 umfasst. Die radial äußeren Weicheisenkernabschnitte 1 stehen über radial verlaufende schmale Verbindungsstege 3 mit einem zentralen Ring 6 in Verbindung. In die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen 3 sind Permanentmagnete 2 eingeschoben. Im Inneren des zentralen Ringes 6 erstreckt sich eine Welle 5. Die einzelnen Permanentmagnete 2 und die Welle 5 sind über eine Kunststoffumspritzung im Blechelementpaket fixiert, so dass sich eine einstückige Rotoreinheit ergibt.
Wie man 1 entnehmen kann, ist hierbei zwischen der Innenfläche des zentralen Ringes 6 und der Oberfläche der Welle 5 ein Spalt 4 vorgesehen, der durch die Umspritzung mit Kunststoff gefüllt ist. Des Weiteren sind radiale Spalte 7 zwischen den einzelnen Weicheinsenkernabschnitten 1 mit Kunststoff verfüllt. Durch die Umspritzung werden die einzelnen Permanentmagneten 2 radial innen am Zentralring 6, radial außen an den Weicheisenkernabschnitten 1 und seitlich an den Verbindungsstegen 3 fixiert.
2 zeigt, dass durch die Kunststoffumspritzung auch die axialen Flächen der Rotoreinheit mit einer Kunststoffschicht (bei 7 gezeigt) versehen sind. Ferner ist die Oberfläche der Welle 5 im Befestigungsbereich der Rotoreinheit mit einer Erhöhungen und Vertiefungen aufweisenden Konturierung versehen, um die Haftung zwischen Welle und zentralem Ring zu verbessern.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Rotoreinheit eines permanent erregten Synchronmotors mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen eines Blechelementpaketes, das eine Vielzahl von radial äußeren Weicheisenkernabschnitten und einen zentralen Ring, die über Verbindungsstege miteinander verbunden sind, besitzt; b. Bereitstellen von Permanentmagneten; c. Einsetzen der Permanentmagnete in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen des Blechelementpaketes; d. Einführen des das Blechelementpaket und die Permanentmagneten umfassenden Gebildes in ein Kunststoffumspritzwerkzeug; und e. Durchführen eines Umspritzprozesses zum Erhalt einer das Blechelementpaket und die darin fixierten Permanentmagneten umfassenden Rotoreinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das Blechelementpaket und die Permanentmagneten enthaltende Gebilde auf seinen axialen Seiten und seiner Umfangsfläche umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte Rotoreinheit über einen Pressverband mit einer Welle verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte nach Schritt c umfasst: f. Einschieben einer Welle in die im zentralen Ring vorhandene Öffnung, wobei zwischen Innenumfang des zentralen Ringes und der Welle ein Spalt vorhanden ist; g. Einführen des das Blechelementpaket, die Permanentmagneten und die Welle umfassenden Gebildes in ein Kunststoffumspritzwerkzeug; und h. Durchführen eines Umspritzprozesses zum Erhalt einer das Blechelementpaket, die Permanentmagneten und die Welle umfassenden Rotoreinheit, bei der der Spalt durch den Umspritzprozess mit Kunststoff verfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zweistufig durchgeführt wird, wobei in einem ersten Verfahrensabschnitt die Schritte a bis e durchgeführt werden, wonach in einem zweiten Verfahrensabschnitt eine Welle in die im zentralen Ring vorhandene Öffnung geschoben und das die Rotoreinheit und die Welle umfassende Gebilde in ein Kunststoffumspritzwerkzeug eingeführt und ein Umspritzprozess zur Fixierung der Welle durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Welle und/oder die Innenfläche des zentralen Ringes im Befestigungsbereich der Rotoreinheit vor der Umspritzung mit einer Erhöhungen und Vertiefungen aufweisenden Konturierung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das das Blechelement, die Permanentmagneten und die Welle enthaltende Gebilde auf seinen axialen Seiten und seiner Umfangsfläche umspritzt wird.
Rotoreinheit mit einem Blechelementpaket, das eine Vielzahl von radial äußeren Weicheisenkernabschnitten und einen zentralen Ring, die über Verbindungsstege miteinander verbunden sind, besitzt, und mit in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen eingesetzten Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (2) durch eine Kunststoffumspritzung der Rotoreinheit in den Zwischenräumen fixiert sind.
Rotoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine in die Öffnung des zentralen Ringes (6) eingesetzte Welle (5) aufweist, die durch die Kunststoffumspritzung der Rotoreinheit in dieser fixiert ist, wobei die Welle (5) über einen mit Kunststoff gefüllten Ringspalt (4) mit dem zentralen Ring (6) verbunden ist.