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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Armierung des magnetischen Materialbereichs elektrischer Maschinen sowie einen magnetischen Materialbereich mit Armierung für elektrische Maschinen.
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Die Armierung des magnetischen Materialbereichs auf Motorwellen elektrischer Maschinen, elektrischer Motoren oder Generatoren, ist bekannt.
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In der
DE 8603982 U1 ist beispielsweise ein Rotorkörper für einen elektrischen Motor beschrieben, mit am Außenumfang der Motorwelle fixierten Magnetsegmenten, wobei die Magnetsegmente mit einer festanliegenden, magnetisch unaktiven Hülse umgeben sind wobei diese kalt auf den Rotorkörper aufgezogen oder aufgeschrumpft wird.
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Aus der
DE 197 26 341 A1 ist eine Welle einer motorisch angetriebenen Spindel mit einem damit verbundenen Rotor für die Verwendung in Elektromotoren bekannt. Die Welle ist aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere CFK-Werkstoff, ausgebildet, wobei der Rotor in das Wellenmaterial eingebunden ist. Der Rotor ist von dem Wellengrundmaterial umgeben, wobei die Fasern des Grundmaterials unter Spannung um den weichen Magneten gewickelt werden. Durch die Armierung durch diese Faser-Bandage des auf der Motorwelle montierten weichen Magneten, wird eine Vorspannung auf die Motorwelle in radialer Richtung erreicht.
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Des Weiteren ist aus der
DE 32 24 616 C2 bekannt, dass bei einem Aggregat mit einer Ständerwicklung die Wicklungen durch eine wärmeleitende elektrisch isolierende Beschichtung, beispielsweise mit Epoxidharz, umgossen werden können.
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Darüber hinaus ist aus der
EP 0 631 364 B1 ein Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Rotors für eine Synchronmaschine bekannt. Der Rotor umfasst einen Rotorkern, welcher durch eine Rotorwelle gebildet wird, welche auf einem Rotorwellenabschnitt eine Magnetlage, gebildet durch Permanentmagnete, aufweist. Die Außenmantelfläche des Rotorkerns ist konusförmig ausgebildet. Auf diese konusförmige Außenmantelfläche wird ein Rotormantel, welcher eine entsprechende konusförmige Formgebung aufweist, so aufgeschoben, dass der mit Untermaß hergestellte Rotormantel, und insbesondere die vom Rotormantel umfasste CFK-Bandage, mit in radialer Richtung wirkender Vorspannung auf den Rotorkern wirkt.
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In der
DE 10 2007 037 326 A1 ist zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellen eines Rotors für eine elektrische Synchronmaschine beschrieben, bei dem auf eine Rotorwelle mit außenseitigem magnetischen Materialbereich im zusammengepressten Zustand eine Bandage auf den magnetischen Materialbereich zum Vorspannen des magnetischen Materialbereichs aufgebracht wird.
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Bei den bekannten Vorgehensweisen kann der magnetische Materialbereich, je nach Anwendung und Erfordernissen, zusammen mit der Motorwelle und/oder zusammen mit einem oder mehreren metallischen Flussleitstücken in einer Aufspannung, an den Außendurchmessern durch Dreh- oder Schleifbearbeitung auf Maß gebracht werden oder auch unbearbeitet auf der Motorwelle und/oder einem oder mehreren metallischen Flussleitstücken, im so montierten Zustand, weiter verarbeitet werden. Die Aufbringung einer Armierung, beispielsweise durch Aufpressen einer Metallhülse auf den Außendurchmesser des magnetischen Materialbereichs ist dabei ein übliches Verfahren. Die aufgebrachte Vorspannung bleibt aufgrund der Stützwirkung durch die Motorwelle bzw. der Flussleitstücke erhalten. Das Aufpressen von Hülsen auf das magnetische Material erfordert geringe Durchmessertoleranzen, sowohl im Außendurchmesser des magnetischen Materials, als auch im Innendurchmesser der Hülse. Die bekannten Fügeprozesse wie Aufschrumpfen bei gleichzeitiger Erwärmung und/oder Abkühlung der Fügepartner kommen dabei aufgrund der aufzubringenden Temperaturen in Verbindung mit dem jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, der Hülse sowie des magnetischen Materials, an ihre Grenzen. Die mechanische Bearbeitung des Außendurchmessers des Magnetmaterials ist zudem sehr teuer. Bei der Entkopplung des Armierungsprozesses aus der Fertigungsprozesskette, fallen hohe Logistikosten an, da die auf Motorwellen oder auf metallischen Flussleitstücken zusammen mit den an den jeweiligen Außendurchmessern montierten magnetischen Materialbereichen, verpackt, transportiert und bewegt werden müssen. Dabei steigt die Gefahr der Beschädigungen, sowohl an Motorwellen als auch an metallischen Flussleitstücken und dem magnetischen Material.
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Die steigenden Anforderungen an Drehzahlen der elektrischen Maschinen erfordern Konstruktionen, bei welchen insbesondere die Ablösung der Magnete bei hohen Drehzahlen verhindert und dadurch die Funktionsfähigkeit bei hohen Drehzahlen verbessert werden kann und gleichzeitig eine wirtschaftliche und prozesssichere Fertigung ermöglicht werden kann.
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Versuche haben gezeigt, dass entgegen der fachmännischen Meinung, die Armierung eines magnetischen Materialbereichs zur Erzielung von Vorspannungen im magnetischen Materialbereich durch Aufbringen eines Faserverbundwerkstoffes, indem die Fasern unter Zugspannung gesetzt und im Wickelverfahren auf den magnetischen Materialbereich aufgewickelt werden, wobei der magnetische Materialbereich dabei nicht auf der Motorwelle oder auf metallischen Flussleitstücken vormontiert ist, möglich ist und zudem Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet.
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Indem die Fasern unter Zugspannung gesetzt und im Wickelverfahren auf den magnetischen Materialbereich aufgewickelt werden, können wesentlich höhere Vorspannungen erzielt werden, als in herkömmlichen Aufpressprozessen. Zudem entfällt die aufwändige Bearbeitung des Außendurchmessers des magnetischen Materialbereichs, da beim Aufwickeln der unter Zugspannung gesetzten Fasern keine besonderen Toleranzen erforderlich sind. Hier kann auch auf unbearbeitete Außenoberflächen des magnetischen Materialbereichs armiert werden. Eine Beschädigung der Motorwelle oder des metallischen Flussleitstückes während des Aufbringens der Vorspannung in den magnetischen Materialbereich wird ausgeschlossen, da in diesem Prozessschritt keine Motorwelle und/oder ein oder mehrere metallischen Flussleitstücke montiert sind.
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Aufgrund moderner magnetischer Materialien ist es neuerdings möglich, die erforderlichen hohen Vorspannungen, auch ohne vorherige Montage der Motorwelle oder der vorherigen Montage von metallischen Flussleitstücken, in den magnetischen Materialbereich einzubringen.
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Der Faserverbundwerkstoff bedeckt den Außendurchmesser des magnetischen Bereichs ganz oder teilweise. Der Wickelwinkel, in dem die Fasern unter Zugspannung auf den magnetischen Materialbereich aufgebracht werden, beträgt typischerweise 70° bis 90° zu der Drehachse. Damit lassen sich die Vorspannungen idealerweise aufbringen. Bei annähernd 90° Wickelwinkel spricht man auch von sogenannten Umfangswicklungen.
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Zur Minimierung der Spaltverluste werden Magnetarmierungen mit möglichst geringen Wanddicken ausgeführt. Typische Wanddicken für die erfindungsgemäße Ausführungsform liegen zwischen 0,1 mm und 10 mm, je nach Konstruktion, Durchmesser und angestrebter Drehzahl der elektrischen Maschine. Zur Minimierung der Magnetfeldverluste werden erfindungsgemäß Faser- und Matrix-Materialien eingesetzt, die das Magnetfeld möglichst nicht beeinflussen.
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Als Fasermaterialien werden erfindungsgemäß Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Basalt- und/oder Kunststofffasern eingesetzt. Als Matrixmaterial werden erfindungsgemäß duromere oder thermoplastische Kunststoffe eingesetzt.
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Die Zugspannung, mit der die Fasern während des Aufbringens auf den magnetischen Materialbereich im Wickelverfahren beaufschlagt wird, beträgt erfindungsgemäß mindestens 10% der Faserbruchspannung. Somit wird eine signifikante Vorspannung des magnetischen Materials erreicht.
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Eine wirtschaftliche und prozesssichere Fertigung wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass nunmehr die Armierung des magnetischen Materials durch Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den unbearbeiteten magnetischen Materialbereich erfolgen kann und die Motorwelle erst in einem späteren Prozessschritt montiert werden kann. Dadurch kann die Rotormontage von der Armierung entkoppelt werden. Der armierte magnetische Materialbereich kann als Einzelkomponente in den weiteren Montageprozess der elektrischen Maschine eingebracht werden. Die Integration der Rotorarmierung in den Montageprozess kann somit entfallen. Die Gefahr der Beschädigung von Komponenten wird reduziert. Beispielsweise entfällt die Gefahr der Beschädigung der hoch sensiblen Motorwelle während des Aufbringens des Faserverbundwerkstoffes und des Vorspannens des magnetischen Materialbereichs, da die Motorwelle bei diesem Prozessschritt nicht montiert ist. Der magnetische Materialbereich kann monolithisch oder aus Magnetsegmenten zusammengesetzt sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von Flussdiagrammen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1 ein Flussdiagramm, welches sich für die Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine durch die erfindungsgemäße Umsetzung ergibt. Dadurch, dass ein Faserverbundwerkstoff auf den magnetischen Materialbereich aufgebracht wird, indem Fasern unter Zugspannung gesetzt im Wickelverfahren direkt auf den magnetischen Materialbereich aufgewickelt werden, bevor der magnetischen Materialbereich auf der Motorwelle oder auf metallischen Flussleitstücken montiert ist, lässt sich ein verkürzter Fertigungsprozess für Rotoren erreichen. Wie in dem Flussdiagramm dargestellt, werden Motorwelle, in diesem Beispiel zusammen mit einem Flussleitstück und dem erfindungsgemäß armierten magnetischen Material montiert und anschließend ausgewuchtet. Verglichen mit dem in 2 dargestellten Flussdiagramm, eine wirtschaftlicher und prozesssicherer Fertigungsablauf.
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2 ein Flussdiagramm, welches sich für die herkömmliche Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine ergibt. Wie in dem Flussdiagramm dargestellt, werden Motorwelle, in diesem Beispiel ebenfalls zusammen mit einem Flussleitstück, und dem magnetischen Material montiert und anschließend bearbeitet, um das Aufbringen einer Armierung, zum Beispiel durch Aufpressen, zu ermöglichen. Anschließend erfolgen die Armierung und das Auswuchten.
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Verglichen mit dem in 1 dargestellten Flussdiagramm, eine längerer Fertigungsablauf, der dadurch unwirtschaftlich wird und mehr Prozessunsicherheiten mit sich bringt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 8603982 U1 [0003]
- DE 19726341 A1 [0004]
- DE 3224616 C2 [0005]
- EP 0631364 B1 [0006]
- DE 102007037326 A1 [0007]
