DE102015014405A1

DE102015014405A1 - Rotorelement, Rotor, Elektromotor, Werkzeugmaschine und Herstellverfahren für Rotoren

Info

Publication number: DE102015014405A1
Application number: DE102015014405.7A
Authority: DE
Inventors: Yohei Arimatsu; Kenji Kawai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2016-05-19
Also published as: JP2016096641A; CN105610260B; CN105610260A; US20160141929A1; US10128727B2; CN205160236U; JP6212020B2

Abstract

Ein Rotorelement umfasst einen zylindrischen Hülsenteil mit einer runden äußeren Umfangsfläche, wobei eine Vielzahl von Magneten entlang der äußeren Umfangsfläche angeordnet ist, und umfassend eine innere Umfangsfläche mit einem Krümmungsradius größer als ein Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche, und wobei ein zylindrisches Halteelement die Vielzahl von Magneten umgibt. Zwischen der äußeren Umfangsfläche des Hülsenteils und der inneren Umfangsfläche der Magneten ist ein zu einem Umfangsrandteil der Magneten zunehmender Spalt in radialer Richtung ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorelement einer Dynamomaschine, einen Rotor, einen mit einem Rotor ausgestatteten Elektromotor, eine mit einem Elektromotor ausgestattete Werkzeugmaschine und ein Herstellungsverfahren für einen Rotor.
Bisheriger Stand der Technik
Wenn sich ein Elektromotor mit einem Permanentmagnet als Rotor mit hoher Geschwindigkeit dreht, muss eine Verstärkung zur Festigkeit des Permanentmagneten und Struktur zur Befestigung des Permanentmagneten vorgesehen werden, damit dieser der Zentrifugalkraft zum Zeitpunkt der Drehung mit hoher Geschwindigkeit standhalten kann. In diesem Fall wird im Allgemeinen beispielsweise eine mit einer Hülse aus Carbonfaser oder Titan abgedeckte Verstärkungsstruktur verwendet. Beispielsweise offenbart die offengelegte japanische Patentschrift Nr. 11-89142 einen Synchronelektromotor für eine Drehung mit hoher Geschwindigkeit, der einen ringartigen Magneten verwendet und bei dem der äußere Umfang des Magneten mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) verstärkt ist.
Diese Art von Elektromotor wird durch Pressen einer Drehachse in ein Rotorelement gebildet. Wenn das Einpressspiel beim Einpressen der Drehachse groß ist, kann sich der Durchmesser der Hülse dehnen und der Magnet brechen. Wenn andererseits das Einpressspiel klein ist, kann der Magnet zur Hülse nicht mit ausreichender Presskraft gehalten werden und die Position des Magneten kann zum Zeitpunkt der Drehung mit hoher Geschwindigkeit abweichen.
Wie in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 11-89142 offenbart nimmt die Haltekraft entsprechend der Zunahme der Spannung des carbonfaserverstärkten Kunststoffs zu, wenn der Magnet durch Umgeben des Umfangs des Magneten mit carbonfaserverstärktem Kunststoff gehalten wird. Wenn aber die Spannung zu stark zunimmt, können Fasern des carbonverstärkten Kunststoffs nachgeben und es kann ein Ablösen, Reißen, Brechen u. Ä. der Faserschicht auftreten, so dass eine Beschränkung in der Zunahme der Spannung besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein an einer Drehachseneinheit einer Dynamomaschine befestigtes Rotorelement, wobei das Rotorelement einen zylindrischen Hülsenteil mit einer runden äußeren Umfangsfläche, eine Vielzahl von entlang der äußeren Umfangsfläche angeordneten Magneten, wobei jeder der Vielzahl von Magneten eine innere Umfangsfläche mit einem Krümmungsradius größer als der Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche aufweist, und ein die Vielzahl von Magneten umgebendes zylindrisches Halteelement umfasst, wobei zwischen der äußeren Umfangsfläche des Hülsenteils und der inneren Umfangsfläche der Magneten ein Spalt in radialer Richtung, der zu einem Umfangsrandteil der Magneten hin zunimmt, angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Rotor umfassend eine Drehachseneinheit und das Rotorelement, das eingepresst und an einer äußeren Umfangsfläche der Drehachseneinheit befestigt ist, wobei sich die äußere Umfangsfläche des Hülsenteils und die innere Umfangsfläche der Magneten berühren, so dass der Spalt durch Durchmesserdehnung des Hülsenteils durch das Einpressen der Drehachseneinheit beseitigt wird, und der Hülsenteil und die Vielzahl von Magneten zwischen der Drehachseneinheit und dem Halteelement durch die im Halteelement in Richtung einer radialen Innenseite durch das Einpressen der Drehachseneinheit erzeugte elastische Rückstellkraft angeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Elektromotor, der den zuvor genannten Rotor umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Werkzeugmaschine, die den zuvor genannten Elektromotor umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen des zuvor genannten Rotors, wobei das Verfahren die Schritte zum Anordnen der Vielzahl von Magneten entlang der äußeren Umfangsfläche des Hülsenteils, das Anordnen des Halteelements, so dass es die Vielzahl von Magneten umgibt, das Einbringen eines Klebstoffs zwischen dem Hülsenteil und den Magneten, das Einpressen des Rotorelements an einer radialen Außenseite der Drehachseneinheit vor dem Härten des Klebstoffs, das Ermöglichen, dass sich die äußere Umfangsfläche des Hülsenteils und die innere Umfangsfläche der Magneten berühren, so dass sich der Spalt durch Durchmesserdehnung des Hülsenteils durch das Einpressen der Drehachseneinheit beim Einpressen des Rotorelements füllt, und das Ermöglichen, dass der Hülsenteil und die Vielzahl von Magneten zwischen der Drehachseneinheit und dem Halteelement durch die im Halteelement in Richtung einer radialen Innenseite durch das Einpressen der Drehachseneinheit erzeugte elastische Rückstellkraft angeordnet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittansicht eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Drehachseneinheit.
3 zeigt eine Schnittansicht des in 1 dargestellten Rotorelements.
4 zeigt eine Ansicht des äußeren Aussehens, wenn das in 1 dargestellte Rotorelement aus axialer Richtung betrachtet wird.
5 zeigt eine Schnittansicht des in 3 dargestellten Hülsenteils.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem der in 3 dargestellten Magneten.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 3 dargestellten Halteelements.
8 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Hauptelemente von 4.
9 zeigt eine Schnittansicht zum Erläutern eines Einpressprozesses zum Einpressen eines Rotorelements an eine Drehachseneinheit.
10 zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung eines Rotors nach einem Einpressprozess.
11 zeigt eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung eines Rotors im fertigen Zustand.
12A zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung der Hauptelemente eines Rotorelements in einem Zustand vor dem Einpressen an eine Drehachseneinheit.
12B zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung der Hauptelemente eines Rotorelements nach dem Einpressen an eine Drehachseneinheit.
13 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Modifizierung von 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Zunächst ist in Bezug auf 1 eine Konfiguration eines Elektromotors (einer Dynamomaschine) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Elektromotors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend ist eine Richtung entlang einer axialen Mitte O₁ einer Drehachseneinheit des Elektromotors 100 als axiale Richtung definiert, eine Richtung entlang einer Umfangsfläche eines Kreises um die axiale Mitte O₁ als Umfangsrichtung definiert und eine sich radial von der axialen Mitte O₁ erstreckende Richtung als radiale Richtung definiert. Ferner sind eine Seite und die andere Seite des Elektromotors 100 wie in 1 dargestellt jeweils als eine axiale Vorderseite und eine axiale Rückseite definiert. Darüber hinaus sind die axiale Vorderseite und die axiale Rückseite zum einfacheren Verständnis vom Standpunkt aus definiert; sie sollen nicht spezifische Richtungen einer Vorderseite, einer Rückseite u. Ä. des Elektromotors beschränken.
Der Elektromotor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise ein eingebauter Motor zum Antreiben einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine. Der eingebaute Motor ist direkt an einem zu drehenden Objekt, beispielsweise einer Hauptwelle, montiert und dient hauptsächlich zum direkten Antrieb der Hauptwelle. Wie zuvor beschrieben wird der Elektromotor zum Antrieb der Hauptwelle der Werkzeugmaschine als eingebauter Motor verwendet und daher kann die Verarbeitungsgenauigkeit der Hauptwelle nicht verbessert werden.
Wie in 1 dargestellt umfasst der Elektromotor 100 ein Gehäuse 102, das einen Innenraum 101 definiert, einen im Innenraum 101 des Gehäuses 102 angeordneten Stator 110, wobei dieser feststehend ist, und einen drehbar radial im Stator 110 eingebauten Rotor 400. Der Rotor 400 ist an der Oberfläche von diesem mit einer Vielzahl von Magneten 311 montiert (siehe 4) und der Elektromotor 100 ist ein Oberflächenpermanenentmagnet-Motor (Surface Permanent Magnet, SPM). Der Stator 110 weist ein Statorblech 103 und eine Wicklung 104 um das Statorblech 103 auf. Das Statorblech 103 wird beispielsweise durch Stapeln dünner Platten aus elektromagnetischem Stahlblech gebildet.
Vom Stator 110 führt eine an der Wicklung 104 angeschlossene Stromleitung (nicht dargestellt) nach außen, die an einer außerhalb des Elektromotors 100 installierte Stromleitung (nicht dargestellt) über ein im Gehäuse angeordnetes 102 Durchgangsloch angeschlossen ist. Wenn der Elektromotor 100 in Betrieb ist, fließt beispielsweise ein dreiphasiger Wechselstrom zur Wicklung 104 und es bildet sich ein sich drehendes Magnetfeld um den Rotor 400.
Der Rotor 400 weist eine sich in der axialen Richtung im Innenraum 101 erstreckende Drehachseneinheit 200 und ein radial außerhalb der Drehachseneinheit 200 befestigtes Rotorelement 300 auf. Der Elektromotor 100 erzeugt Drehkraft durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Rotor 400 und Stator 110 und die Drehachseneinheit 200 und das Rotorelement 300 drehen sich vollständig um die axiale Mitte O₁.
Nachfolgend ist in Bezug auf 2 die Drehachseneinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 zeigt eine Schnittansicht der Drehachseneinheit 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 2 dargestellt ist die Drehachseneinheit 200 ein zylindrisches Element mit der axialen Mitte O₁ und einem mit der axialen Mitte O₁ konzentrischen Mittelloch 201. In der vorliegenden Ausführungsform ist zum Einsetzen des Elektromotors 100 an der Hauptwelle der Werkzeugmaschine als eingebauter Motor das Mittelloch 201 in der Drehachseneinheit 200 ausgebildet; die vorliegende Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Die Drehachseneinheit 200 kann also auch aus einem massiven Material ohne Mittelloch 201 bestehen.
Die axiale Mitte O₁ der Drehachseneinheit 200 ist eine Drehachse des Elektromotors 100. Ein Teil der axialen Vorderseite der Drehachseneinheit 200 ist drehbar am Gehäuse 102 über ein an einem Vorderwandteil des Gehäuses 102 montiertes Lager (nicht dargestellt) abgestützt. Entsprechend ist ein Teil der axialen Rückseite der Drehachseneinheit 200 drehbar am Gehäuse 102 über ein an einem Rückwandteil des Gehäuses 102 montiertes Lager (nicht dargestellt) abgestützt.
Die Drehachseneinheit 200 weist eine verjüngte äußere Umfangsfläche 202 in Richtung von der axialen Rückseite zur axialen Vorderseite und schrittweise in Richtung der radialen Außenseite verbreitert auf. Ein Teil 203 und ein abgestufter Teil 204 der axialen Vorderseite der Drehachseneinheit 200 sind ein Beispiel für angrenzende Teile, die zur Vereinfachung der Herstellung angeordnet sind. Die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 erstreckt sich kontinuierlich von einem axialen Hinterende 205 zu einem axialen Vorderende 206. An der axialen Rückseite des axialen Hinterendes 205 der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 ist eine sich linear entlang der axialen Richtung erstreckende zylindrische äußere Umfangsfläche 207 ausgebildet.
Ferner ist die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 vorzugsweise eine lineare verjüngte Fläche, das heißt eine konische Fläche. In diesem Fall nimmt der Radius der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 linear vom axialen Hinterende 205 zum axialen Vorderende 206 zu. Vorzugsweise ist die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 beispielsweise eine linear verjüngte Fläche mit einem Kegelverhältnis von 1:200 bis 1:300.
Der angrenzende Teil 203 und der abgestufte Teil 204 sind ein Beispiel für eine Gestaltung zur Erleichterung der Montage bei der Herstellung. Der angrenzende Teil 203 weist eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende zylindrische äußere Umfangsfläche auf und der angrenzende Teil 203 ist zum radialen Vorstehen von der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 ausgebildet, um den abgestuften Teil 204 zwischen dem angrenzenden Teil 203 und dem axialen Vorderende 206 der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 zu bilden.
Nachfolgend ist in Bezug auf 3 bis 7 das Rotorelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3 zeigt eine Schnittansicht des Rotorelements 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und 4 zeigt eine Ansicht des äußeren Aussehens (eine Ansicht in Blickrichtung vom Pfeil IV von 3), wenn das Rotorelement 300 von der axialen Richtung gesehen wird. Wie in 3 und 4 dargestellt weist das Rotorelement 300 einen zylindrischen Hülsenteil 301 und eine Vielzahl von in einer Reihe in der Umfangrichtung angeordneten Magneten 311 sowie ein Halteelement 321, das die gesamte Vielzahl von Magneten 311 von der radialen Außenseite abdeckt, an der radialen Außenseite des Hülsenteils 301 auf.
Die Magneten 311 sind Permanentmagneten, die jeweils eine in einer Bogenform ausgebildete Innendurchmesserseite aufweisen, und im Beispiel von 4 sind vier Magneten 311 in einem gleichen Abstand in der Umfangsrichtung entlang einer äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 angeordnet. Zusätzlich können auch Magneten 311, die eine andere Zahl als die in 4 dargestellten vier Magneten 311 aufweisen, in der Umfangsrichtung angeordnet sein. Die Zahl der Magneten 311 muss also nicht gleich vier sein, wenn eine Vielzahl von Magneten 311 symmetrisch in der Umfangsrichtung angeordnet ist.
Die Magneten 311 können auch in einer mehrfachen Zahl in der axialen Richtung entsprechend der Herstellung oder Magnetbildung unterteilt sein und im Beispiel von 3 sind die Magneten 311 in zwei in der axialen Richtung unterteilt. Die Magneten 311 können zusätzlich auch in drei oder mehr unterteilt sein. Ferner ist eine Struktur eines konvexen Teils 305 u. Ä. am Hülsenteil 301 angeordnet und somit sind die jeweiligen an der axialen Rückseite angeordneten Magneten 311 durch Ausrichten der Positionen in der axialen Richtung angeordnet. Als Magnet 311 kann beispielsweise ein Neodymmagnet mit hoher magnetischer Feldenergie verwendet werden. Auf diese Weise kann ein kompakter Elektromotor mit hoher Leistung ausgebildet werden, der für den Einsatz an einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine geeignet ist.
5 zeigt eine Schnittansicht des Hülsenteils 301. Wie in 5 dargestellt ist der Hülsenteil 301 ein zylindrisches Element mit einer Mittelachsenlinie O₂, das einen ersten Endteil 302 der axialen Rückseite sowie einen zweiten Endteil 303 der axialen Vorderseite aufweist und dessen zylindrische äußere Umfangsfläche 304 sich entlang der axialen Richtung erstreckt. Der konvexe Teil 305, der am axialen Hinterende des Hülsenteils 301 angeordnet ist und radial an der Außenseite von der äußeren Umfangsfläche 304 vorsteht, ist ein Beispiel für eine Gestaltung zum einfachen Ausrichten der Positionen der Magneten 311 in axialer Richtung zum Zeitpunkt des Herstellens.
Der Hülsenteil 301 besteht aus einem Metall auf Eisenbasis, zum Beispiel ein Metallmaterial eines magnetischen Körpers wie S45C, STKM und SS400. Die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 wurde einer chemischen Oberflächenbehandlung auf Basis von Phosphorsäue, auf Basis von Schwefelsäure oder auf Basis von Hydrochloridsäure bzw. Salzsäure unterzogen. Auf diese Weise wird der Reibungskoeffizient der äußeren Umfangsfläche 304 vergrößert und die Magneten 311 können problemlos auf der äußeren Umfangsfläche 304 halten. Ferner wird die chemische Oberflächenbehandlung auf der äußeren Umfangsfläche 304 durchgeführt und es wird somit die Härtungsreaktion eines Klebstoffs gefördert, wenn der Klebstoff auf die äußere Umfangsfläche 304 aufgebracht wird wie nachfolgend beschrieben. Darüber hinaus wird die Klebkraft an sich erhöht. In einem Einzelzustand des Rotorelements 300 vor Einsetzen der Drehachseneinheit 200 haften die Magneten 311 nicht auf der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Hülsenteil 301 eine verjüngte innere Umfangsfläche 306 (das heißt verjüngte Fläche) vom ersten Endteil 302 in Richtung des zweiten Endteils 303 auf und verbreitert sich kontinuierlich radial nach außen. Die verjüngte innere Umfangsfläche 306 erstreckt sich kontinuierlich in einem Abschnitt in axialer Richtung (einem magnetmontierten Abschnitt), in dem die Magneten 311 auf wenigstens dem äußeren Umfang vom ersten Endteil 302 zum zweiten Endteil 303 montiert sind. Die verjüngte innere Umfangsfläche 306 ist somit eine verjüngte Fläche, die im magnetmontierten Abschnitt der inneren Umfangsfläche des Hülsenteils 301 ausgebildet ist und ein kontinuierlich konstantes Kegelverhältnis aufweist, und der Radius der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 nimmt in Richtung der axialen Vorderseite zu.
Die verjüngte innere Umfangsfläche 306 ist eine linear verjüngte Fläche mit einem konstanten Kegelverhältnis. Der Radius der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 erstreckt sich linear zum zweiten Endteil 303 vom ersten Endteil 302 im Bereich von einem Radius R₃ der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 am ersten Endteil 302 bis zu einem Radius R₄ (>R₃) der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 am zweiten Endteil 303. Vorzugsweise liegt das Kegelverhältnis der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 beispielsweise im Bereich von 1:200 bis 1:30.
Der Grad der Verjüngung der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 ist so gewählt, dass er mit dem Grad der Verjüngung der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 zusammenpasst. Insbesondere wenn sowohl die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 als auch die verjüngte innere Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 linear verjüngte Flächen sind, werden die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 und die verjüngte innere Umfangsfläche 306 so gewählt, dass sie ein gleiches oder annähernd gleiches Kegelverhältnis aufweisen (beispielsweise 1:100).
Im Montagezustand des in 1 dargestellten Elektromotors 100 ist der Hülsenteil 301 auf der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 durch Presspassung befestigt, so dass die Mittelachsenlinie O₁ der Drehachseneinheit 200 und die Mittelachsenlinie O₂ des Hülsenteils 301 übereinstimmen. In diesem Zustand grenzen der zweite Endteil 303 des Hülsenteils 301 und der abgestufte Teil 204 aneinander an, und somit sind der Radius R₄ der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 am zweiten Endteil 303 und der Radius des axialen Vorderendes 206 der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 gleich oder annähernd gleich.
Ferner berühren sich in diesem Zustand die verjüngte innere Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 und die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 einander mit einem großen Flächendruck und der Hülsenteil 301 wird von der Drehachseneinheit 200 zur radialen Außenseite gepresst. Zusätzlich ist nachfolgend eine Montagestruktur des Hülsenteils 301 für die Drehachseneinheit 200 beschrieben.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Magneten 311. Wie in 6 dargestellt ist der Magnet 311 ein etwa bogenförmiges magnetisches Teil mit einem vorgegebenen Innendurchmesser eines Krümmungsradius. Insbesondere weist der Magnet 311 eine Endfläche 312 der axialen Vorderseite, eine Endfläche 313 der axialen Rückseite, eine Endfläche 314 an einer Seite in Umfangsrichtung, eine Endfläche 315 an der anderen Seite in Umfangsrichtung, eine innere Umfangsfläche 316 an der radialen Innenseite und eine äußere Umfangsfläche 317 an der radialen Außenseite auf. Die innere Umfangsfläche 316 des Magneten 311 weist eine Bogenform (mit konstanter Krümmung) auf; die äußere Umfangsfläche 317 hingegen weist eine Bogenform auf, ist eine beliebig gekrümmte Fläche ohne Bogenform, eine Ebene oder eine Kombination aus gekrümmter Fläche und Ebene.
Im Beispiel von 6 sind die Endfläche 312, die Endfläche 313, die Endfläche 314 und die Endfläche 315 deutlich als ein Beispiel der Ausführungsform dargestellt. Diese Endflächen sind aber gekrümmte Flächen oder Mindestflächen, die zwischen verjüngten Flächen oder gekrümmten Flächen angeordnet sind, entsprechend der Magnetkreisgestaltung oder den technischen Daten des Elektromotors. Daher sind diese Endflächen nicht deutlich ausgeprägt. Ferner ist die Seite nicht durch eine deutliche Linie definiert, da die Seite, die jede Fläche bildet, abgeschrägt ist oder von der gekrümmten Fläche leicht abweicht.
Die innere Umfangsfläche 316 ist eine Bogenfläche mit einem vorgegebenen Krümmungsradius und erstreckt sich entlang der axialen Richtung, um eine Seite der radialen Innenseite, welche die Endfläche 312 bildet, mit einer Seite, welche die radiale Innenseite der Endfläche 313 bildet, zu verbinden. Die äußere Umfangsfläche 317 ist mit einer gekrümmten Linie gleichmäßig in der Umfangsrichtung ausgebildet und kann beispielsweise auch eine Bogenfläche oder eine andere beliebig gekrümmte Fläche sein. Der Krümmungsradius der inneren Umfangsfläche 316 wird durch die Beziehung mit dem Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 wie nachfolgend beschrieben bestimmt.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Halteelements 321. Wie in 7 dargestellt ist das Halteelement 321 ein sich in der axialen Richtung erstreckendes zylindrisches Element, das zum Umgeben der Vielzahl von Magneten 311 zum Halten der Magneten 311 dient. Insbesondere weist das Halteelement 321 eine Endfläche 322 an der axialen Vorderseite, eine Endfläche 323 an der axialen Rückseite sowie eine zylindrische innere Umfangsfläche 324 und äußere Umfangsfläche 325 auf. Im Beispiel von 7 sind die Endfläche 322 und die Endfläche 323 deutlich als ein Beispiel der Ausführungsform dargestellt, sind aber nicht deutlich ausgeprägt je nach Material, Struktur und Herstellverfahren für das Halteelement. Ferner sind die Schnittformen der inneren Umfangsfläche 324 und der äußeren Umfangsfläche 325 nicht auf einen Kreis beschränkt.
Das Halteelement 321 ist beständig gegen Verformungen wie etwa eine Dehnung radial nach außen. Der Radius (der Durchmesser) des Halteelements 321 kann also nur schwer geändert werden. Ferner besteht das Halteelement 321 vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material, um eine Wärmeerzeugung durch Magnetfluss oder Leistungseinbußen durch Verlust von Magnetfluss zu vermeiden. Darüber hinaus weist das Halteelement 321 vorzugsweise eine geringe Dichte auf, um die durch Drehung erzeugte Zentrifugalkraft zu verringern. Das Halteelement 321 besteht beispielsweise aus einem zylindrisch gegossenen Körper. Zusätzlich kann das Halteelement 321 auch durch Wickeln eines Materials gebildet werden, welches das Halteelement 321 auf der äußeren Umfangsfläche 317 der Vielzahl von Magneten 311 ausbildet. Das Halteelement 321 kann beispielsweise ebenfalls durch Wickeln eines fadenartigen, riemenartigen oder folienartigen Materials auf die äußere Umfangsfläche 317 der Magneten 311, während mehrmals in einer Drehrichtung bis zu einer vorgegebenen Dicke gedreht wird, um die jeweiligen Magneten 311 abzudecken, ausgebildet werden.
Als Material des Halteelements 321 ist beispielsweise ein Material mit besonderer spezifischer Festigkeit (Zugfestigkeit pro Einheitsdichte) wie Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser oder Faser aus Ultra High Molecular Weight Polyethylene oder Polybutylen-Terephthalat vorzuziehen. Ferner ist ebenfalls als Material des Halteelements 321 ein faserverstärktes Harz mit Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, Siliciumkarbidfaser, Borfaser, Titanlegierungsfaser oder Faser aus Ultra High Molecular Weight Polyethylene oder Polybutylen-Terephthalat oder ein durch Kombinieren von einigen dieser erzeugtes Verbundmaterial vorzuziehen. Ferner kann als Material des Halteelements 321 ebenfalls ein nicht magnetisches Metall wie austenitischer Edelstahl oder eine Titanlegierung verwendet werden.
Im Zustand, in dem das Halteelement 321 an der radialen Außenseite der Vielzahl von Magneten 311 so befestigt wird, dass es alle Magneten 311 von der radialen Außenseite umgibt und der in 1 dargestellte Elektromotor 100 montiert ist, wird der Hülsenteil 301 von der Drehachseneinheit 200 radial nach außen gepresst. Durch dieses Pressen wird der Hülsenteil 301 zur radialen Außenseite verformt und jeder der Magneten 311 wird radial nach außen gedrückt.
Das Halteelement 321 ist aber wie zuvor beschrieben beständig gegen Verformungen wie etwa eine Dehnung radial nach außen. Somit nimmt das Halteelement 321 den von den Magneten 311 ausgeübten Druck auf und drückt die Magneten 311 durch die Reaktionskraft des Drucks zurück radial nach außen.
Durch solch eine Konfiguration sind die Magneten 311 fest zwischen dem Hülsenteil 301 und dem Halteelement 321 angeordnet. Auf diese Weise kann zum Zeitpunkt des Antriebs des Elektromotors 100 auch bei einer Drehung des Rotorelements 300 mit einer hohen Geschwindigkeit verhindert werden, dass sich die Magneten 311 relativ zum Hülsenteil 301 und Halteelement 321 in Umfangsrichtung bewegen.
In diesem Fall ist im gesamten Bereich der Drehzahl, in dem der Elektromotor 100 betrieben werden kann, ein Arretierungsspiel des Halteelements 321 so gewählt, dass das Befestigungsdrehmoment zwischen dem Hülsenteil 301 und der Drehachseneinheit 200 und das Befestigungsdrehmoment zwischen den Magneten 311 und dem Hülsenteil 301 das maximale Drehmoment des Elektromotors 100 überschreiten. Auf diese Weise überschreiten das Befestigungsdrehmoment zwischen der Drehachseneinheit 200 und dem Hülsenteil 301 und das Befestigungsdrehmoment zwischen dem Hülsenteil 301 und den Magneten 311 immer das maximale Drehmoment 20 des Elektromotors 100 ungeachtet der Drehzahl des Elektromotors 100. Entsprechend kann zum Zeitpunkt des Antriebs des Elektromotors 100 verhindert werden, dass eine Positionsabweichung zwischen der Drehachseneinheit 200 und dem Hülsenteil 301 sowie zwischen dem Hülsenteil 301 und den Magneten 311 auftritt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Radius der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 so gewählt, dass er größer als der Radius der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 ist. Wie in 8 dargestellt, die eine vergrößerte Ansicht der Hauptelemente von 4 zeigt, gilt, wenn der Krümmungsradius der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 als R₇ und der Radius der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 als R₈ definiert ist, R₇ > R₈.
Bei solch einer Konfiguration bildet sich im Zustand, in dem das Rotorelement 300 montiert ist, ein Spalt 330 zwischen der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301. Der Spalt 330 wird durch eine Radiusdifferenz zwischen dem Krümmungsradius R₇ der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 und dem Radius R₈ der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 gebildet und wird entsprechend unter Berücksichtigung der Dehnung des Hülsenteils 301 gewählt, wenn die Drehachseneinheit 200 eingepresst ist.
Das Spalt 330 nimmt schrittweise in Richtung eines Umfangsrandteils 311b von einem Kontaktteil 311a des Magneten 311 zu, an dem sich der Hülsenteil 301 und der Magnet 311 berühren, und ist am Umfangsrandteil 311b am größten. Ferner berühren sich im Beispiel von 8 an einem Umfangsmittenteil des Magneten 311 die innere Umfangsfläche 316 des Magneten 311 und die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301. Der Umfangsmittenteil wird somit zum Kontaktteil 311a und der Spalt 330 ist am Umfangsmittenteil gleich Null; der Hülsenteil 301 und der Magnet 311 berühren sich aber auch an einem Teil (beispielsweise einem Umfangsrandteil 311b), der kein Mittenteil ist. In diesem Fall wird der eine Umfangsrandteil 311b zum Kontaktteil 311a. Auch in diesem Fall nimmt der Spalt 330 schrittweise vom Kontaktteil 311a des Magneten 311 zu einem Umfangsrandteil (dem anderen Umfangsrandteil 311b) zu.
Wie zuvor beschrieben ist der Spalte 330 in radialer Richtung zwischen der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 angeordnet; daher kann ein Brechen des Magneten 311 verhindert werden, wenn die Drehachseneinheit 200 entlang der inneren Umfangsfläche 306 des Rotorelements 300 (Hülsenteil 301) eingepresst wird.
Wenn das Rotorelement 300 also auf die Drehachseneinheit 200 gepresst wird, dehnt sich der Hülsenteil 301 des Rotorelements 300 (Durchmesserdehnung) zur radialen Außenseite, wobei der Spalt 330 verschwindet; somit berühren sich die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und die innere Umfangsfläche 316 der radialen Innenseite des Magneten 311 einander. Somit kann, wenn der Durchmesser des Hülsenteils 301 gedehnt ist, die im Magneten 311 erzeugte Spannung verringert und ein Brechen des Magneten 311 verhindert werden.
Nachfolgend ist ein Herstellverfahren für den Rotor 400 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst werden der Hülsenteil 301, der Magnet 311 und das Halteelement 321 vorbereitet. Der Hülsenteil 301 wird beispielsweise durch Verwendung eines eisenbasierten Metalls als Grundmaterial, Schneiden einer inneren Umfangsfläche und einer äußeren Umfangsfläche eines zylindrischen Elements zum Bilden der verjüngten inneren Umfangsfläche 306, der äußeren Umfangsfläche 304 und des konvexen Teils 305 und Durchführen einer chemischen Oberflächenbehandlung auf Basis von Phosphorsäure, auf Basis von Schwefelsäure oder auf Basis von Hydrochloridsäure bzw. Salzsäure auf der äußeren Umfangsfläche 304 hergestellt. Der Magnet 311 beispielsweise wird durch Ausbilden eines etwa bogenförmigen Permanentmagnets hergestellt, bei dem die innere Umfangsfläche 316 einen vorgegebenen Krümmungsradius R7 aufweist. Das Halteelement 321 beispielsweise wird durch in einer zylindrischen Form geformtes carbonfaserverstärktes Harz hergestellt.
Anschließend wird die Vielzahl von Magneten 311 entlang der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 in gleichen Abständen angeordnet. In diesem Fall sind die Magneten 311 so angeordnet, dass sich die Magnetpole an der Seite der inneren Umfangsfläche und an der Seite der äußeren Umfangsfläche der Magneten, die in der Umfangsrichtung aneinander angrenzen, unterscheiden. Wenn beispielsweise vier Magneten 311A bis 311D in der Umfangsrichtung angeordnet sind, sind die Magneten 311A und 311B, 311B und 311C, 311C und 311D sowie 311D und 311A jeweils angrenzend aneinander angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Magneten 311A bis 311D so angeordnet, dass eine innere Umfangsseite und eine äußere Umfangsseite der Magneten 311A und 311C jeweils ein Südpol und ein Nordpol sind und eine innere Umfangsseite und eine äußere Umfangsseite der Magneten 311B und 311D jeweils ein Nordpol und ein Südpol sind.
In der vorliegenden Ausführungsform sind somit die in der Umfangsrichtung angeordneten Magneten 311A bis 311D, die zur äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 zeigen, so angeordnet, dass sich die jeweiligen Magnetpole abwechselnd in der Umfangsrichtung ändern.
Anschließend wird ein Klebstoff zwischen Hülsenteil 301 und der Vielzahl von Magneten 311 eingebracht, die zueinander zeigen, und es wird das Halteelement 321 so montiert, dass es die Vielzahl von Magneten 311 von der radialen Außenseite abdeckt. Das Halteelement 321 wird also an der radialen Außenseite der Magneten 311 so befestigt, dass die innere Umfangsfläche 324 des Halteelements 321 zur äußeren Umfangsfläche 317 der Magneten 311 zeigt. Zu diesem Zeitpunkt kann auch an beiden eine Spielpassung oder Presspassung vorliegen. Bei einer Presspassung genügt ein geringes Befestigungsspiel, um zu verhindern, dass sich das Halteelement 321 löst.
Um die Montage des Halteelements 321 problemlos durchführen zu können, wird der Hülsenteil 301, auf den die Magneten 311 angeordnet wurden, vorzugsweise abgekühlt, bevor das Halteelement 321 um die Magneten 311 angeordnet wird. Beispielsweise werden die Magneten 311 und der Hülsenteil 301 in einem Industriekühlgerät bis zu einer vorgegebenen Temperatur oder niedriger abgekühlt (beispielsweise –50°C oder weniger, vorzugsweise –70°C oder weniger). Auf diese Weise wird der äußere Durchmesser (der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 317 der Magneten 311 um die axiale Mitte O₁) des Hülsenteils 301, auf dem die Magneten 311 angeordnet wurden, verringert und somit kann das Halteelement 321 problemlos um die Magneten 311 montiert werden. Insbesondere wenn das Halteelement 321 aus Carbonfaser mit einem geringen linearen Dehnungskoeffizienten besteht und eine Schrumpfpassung des Halteelements 321 schwierig ist, wird der Hülsenteil 301, auf dem die Magneten 311 angeordnet wurden, vorzugsweise abgekühlt.
Der Klebstoff wird über den gesamten Bereich zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und der inneren Umfangsfläche 316 der Magneten 311 oder wenigstens in einem Teilbereich eingebracht. Der Klebstoff kann ebenfalls eingebracht werden, nachdem der Umfang der Magneten 311 vom Halteelement 321 umgeben ist statt bevor der Umfang der Magneten 311 vom Halteelement 321 umgeben ist. Wenn die Magneten 311 entlang der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 angeordnet sind, kann der Klebstoff auch auf wenigstens der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 oder der inneren Umfangsfläche 316 der Magneten 311 aufgebracht werden.
Der hierzu verwendete Klebstoff ist beispielsweise ein anaerober Klebstoff auf Acrylbasis, der Hydroperoxid enthält. Ein Klebstoff auf Acrylbasis ist im Allgemeinen aufgrund der Flexibilität und Netzbarkeit für ein Klebeobjekt vorzuziehen und kann problemlos in den Spalt 330 eingebracht werden, der sich durch den Krümmungsunterschied zwischen dem Hülsenteil 301 und den Magneten 311 bildet. Da ein anaerober Klebstoff auf Acrylbasis außerdem aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung eines wärmehärtenden Klebstoffs wie Klebstoff auf Epoxydbasis kein Härten erfordert, ist er gut zu verarbeiten. Da keine Entmagnetisierung der Magneten 311 durch Wärme zu berücksichtigen ist, ist er vorzuziehen.
Der anaerobe Klebstoff enthält im Allgemeinen (Meth)acrylsäure als Hauptbestandteil. Die (Meth)acrylsäure weist beispielsweise multifunktionales Methacrylester auf und ist insbesondere ein Polyglykol-Dimethacrylat. Ein Teil des Polyglykols kann auch durch verschiedene Segmente wie Polyester und Polycarbonat ersetzt werden.
Das Hydroperoxid ist beispielsweise Cumenhydroperoxid. Das Hydroperoxid wird bei Vorhandensein eines Metallions reduziert und setzt eine Polymerisationsreaktion in Gang. Das Hydroperoxid setzt also eine Härtungsreaktion in Gang. Da in der vorliegenden Ausführungsform der Hülsenteil 301 aus einem eisenbasierten Metall besteht und eine chemische Oberflächenbehandlung auf der Oberfläche des Hülsenteils 301 durchgeführt wird, erfolgt die Härtungsreaktion aufgrund des Vorhandenseins der Metallionen und der Zunahme des Kontaktbereichs zwischen Klebstoff und Metall schnell. Die Härtungsreaktion erfolgt somit auch in einem Teil schnell, in dem keine ausreichend anaeroben Bedingungen gegeben sind und es können daher die Magneten 311 fest verklebt werden.
Anschließend wird die Drehachseneinheit 200 wie in 2 dargestellt hergestellt. Beispielsweise wird eine äußere Umfangsfläche eines zylindrischen Stabelements geschnitten, um die äußere Umfangsfläche 202 zu bilden. Ferner können ebenfalls vor und nach der äußeren Umfangsfläche 202 die zylindrische äußere Umfangsfläche 207 und der angrenzende Teil 203 je nach Bedarf angeordnet werden.
Anschließend wird vor dem Härten des Klebstoffs das Rotorelement 300 von der axialen Rückseite der Drehachseneinheit 200 montiert. Das Rotorelement 300 wird entsprechend auf die radiale Außenseite der Drehachseneinheit 200 gepresst. Dieser Einpressprozess ist nachfolgend ausführlich beschrieben. 9 und 10 zeigen Diagramme zur Erläuterung des Einpressprozesses. Wie in 9 dargestellt wird zunächst der Hülsenteil 301 des Rotorelements 300 an das axiale Hinterende der Drehachseneinheit 200 von der Seite des zweiten Endteils 303 montiert.
Anschließend wird die Drehachseneinheit 200, beispielsweise eine Endfläche (nicht dargestellt) einer zweiten Seite (der Vorderseite) der Drehachseneinheit 200, in der axialen Richtung zu einer ersten Seite (der Rückseite) in der axialen Richtung gehalten und der Endteil 302 des Hülsenteils 301 des Rotorelements 300 wird in eine entgegengesetzte Richtung der axialen Richtung in Bezug auf die Halterichtung gepresst. Das Rotorelement 300 wird also in Richtung der axialen Vorderseite wie durch den Pfeil E in 9 dargestellt gedrückt.
Auf diese Weise grenzen das axiale Vorderende der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 und die verjüngte äußere Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 an einem Angrenzungsteil P aneinander an. In diesem Zustand wird das Rotorelement 300 weiter in Richtung der axialen Vorderseite in Bezug auf die Drehachseneinheit 200 gepresst. Das Rotorelement 300 wird insbesondere in Richtung der axialen Vorderseite gepresst, bis der zweite Endteil 303 des Hülsenteils 301 an einer vorgegebenen Position, beispielsweise am abgestuften Teil 204 des Angrenzungsteils 203 im Beispiel der Zeichnung angrenzt.
Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich der Hülsenteil 301 zur axialen Vorderseite entlang der verjüngten Fläche vom Angrenzungsteil P zum abgestuften Teil 204 und dehnt sich zur radialen Außenseite. In diesem Zustand ist also das Rotorelement 300 durch Presspassung an der Drehachseneinheit 200 befestigt. Zusätzlich kann in diesem Zustand der Hülsenteil 301 ebenfalls über einen elastischen Verformungsbereich hinaus verformt werden.
Während der Hülsenteil 301 bis zu einer vorgegebenen festen Position gepresst wird, dehnt sich der Hülsenteil 301 zur radialen Außenseite durch die Kraft, durch die der Hülsenteil 301 gepresst wird, und somit können sich auch die Magneten 311 radial nach außen bewegen. Auf das Halteelement 321 wirkt dadurch auch eine Kraft nach außen ein und es dehnt sich ebenfalls radial nach außen. Auf diese Weise sammelt sich elastische Kompressionskraft im Halteelement 321, die Magneten 311 und der Hülsenteil 301 werden zwischen der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 und dem Halteelement 321 durch die elastische Kompressionskraft angeordnet und die Befestigung der Magneten 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 in der Umfangsrichtung und die Befestigung der verjüngten inneren Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 und der verjüngten äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 erfolgen durch den zwischen den jeweiligen Kontaktflächen zu diesem Zeitpunkt erzeugten Druck (Flächendruck). Auf diese Weise wird der in 10 dargestellte Rotor 400 hergestellt. 11 zeigt eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung des Rotors 400 im fertigen Zustand.
In der vorliegenden Ausführungsform werden in einer Reihe in Umfangsrichtung angeordnete Magneten 311 verwendet und der Krümmungsradius R₇ der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 ist größer als der Radius R₈ der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 (8). Auf diese Weise kann im Prozess zur Herstellung des Rotors 400 ein Brechen der Magneten verhindert werden. Dieser Punkt ist nachfolgend in Bezug auf 12A und 12B beschrieben. Ferner stellt 12A das Rotorelement 300 im Zustand vor dem Pressen auf die Drehachseneinheit 200 dar und entspricht 8. 12B wiederum stellt das Rotorelement 300 im Zustand nach dem Pressen auf die Drehachseneinheit 200 dar und entspricht 11. Zusätzlich unterscheidet sich die Form des Magneten 311 von 11 von der Form des Magneten 311 von 12A und 12B.
Wie in 12A dargestellt ist im Zustand, bevor das Rotorelement 300 auf die Drehachseneinheit 200 gepresst wird, ein Spalt 330 zwischen der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 und der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 angeordnet. In diesem Zustand, wenn die Drehachseneinheit 200 in das Rotorelement 300 gepresst wird, dehnt sich der Hülsenteil 301 zur radialen Außenseite und der Spalt 330 verschwindet; somit berühren sich die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und die innere Umfangsfläche 316 des Magneten 311 einander wie in 12B dargestellt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass zu viel Kraft auf den Magneten 311 vom Hülsenteil 301 ausgeübt wird und der Magnet 311 bricht.
Der Einpressprozess wird vor dem Härten des Klebstoffs durchgeführt. Somit wird überschüssiger Klebstoff des Spalts 330 zwischen dem Hülsenteil 301 und dem Magneten 311 zur Umfangsaußenseite oder axialen Außenseite gedrückt, wenn sich der Durchmesser des Hülsenteils 301 gedehnt hat, und es kann somit ein Brechen des Magneten 311 verhindert werden. Wenn aber der Einpressprozess nach Härten des Klebstoffs erfolgt, sobald sich der Durchmesser des Hülsenteils 301 gedehnt hat, kann der Magnet 311 brechen, da die Verformung des Magneten 311 nicht der Verformung des Hülsenteils 301 folgen kann.
Wenn sich der Rotor 400 mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, muss die Haltekraft des Magneten 311 vergrößert werden, da die auf den Magneten 311 einwirkende Zentrifugalkraft zunimmt. Die Haltekraft des Magneten 311 kann durch Vergrößern der durch das Halteelement 321 erzeugten Kompressionshaltekraft gesteigert werden. Die Kompressionshaltekraft kann beispielsweise durch Vergrößern der Stärke des Halteelements 321 in radialer Richtung (erstes Verfahren), Verwenden einer Faser mit hohem elastischen Koeffizienten als Material des Halteelements 321 (zweites Verfahren) oder Vergrößern des Presspassungsspiels zwischen dem Hülsenteil 301 und der Drehachseneinheit 200 und Vergrößern der Durchmesserdehnungsmenge des Halteelements 321 (drittes Verfahren) erhöht werden.
Da aber der Abstand (Spalt) zwischen dem Magneten 311 und dem Statorblech 103 um eine vorgegebene Menge oder mehr schwer vergrößert werden kann, weist das erste Verfahren eine Einschränkung auf. Im zweiten Verfahren ist die Materialauswahl erheblich eingeschränkt. Wenn im dritten Verfahren die Durchmesserdehnungsmenge des Halteelements 321 zu stark vergrößert wird, tritt ein Problem durch Ablösen, Reißen, Brechen u. Ä. des Halteelements 321 auf. Um somit die Haltekraft des Magneten 311 wie bei der vorliegenden Ausführungsform zu steigern, ist es vorzuziehen, dass der Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 kleiner sein kann als der Krümmungsradius der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311, die gesamte Fläche des Magneten 311 zum Berühren des Hülsenteils 301 ausgebildet ist, wenn sich der Durchmesser des Hülsenteils 301 gedehnt hat, und ein Klebstoff zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und der inneren Umfangsfläche 316 des Magneten 311 zum Befestigen des Magneten 311 mit dem Klebstoff eingebracht wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die folgenden Vorgänge und Wirkungen erzielt werden.

(1) Das Rotorelement 300 umfasst den zylindrischen Hülsenteil 301 mit der runden äußeren Umfangsfläche 304, wobei die Vielzahl von Magneten 311 entlang der äußeren Umfangsfläche 304 angeordnet ist, und umfassend die innere Umfangsfläche 316 mit dem Krümmungsradius R₇ größer als der Krümmungsradius R₈ der äußeren Umfangsfläche 304, und wobei das zylindrische Halteelement 321 die Vielzahl von Magneten 311 umgibt. Zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und der inneren Umfangsfläche 316 der Magneten 311 ist der Spalt 330 der radialen Richtung so ausgebildet, dass dieser in Richtung des Umfangsrandteils 311b der Magneten 311 vom Kontaktteil 311a der Magneten 311, an dem sich der Hülsenteil 301 und die Magneten 311 einander berühren können, schrittweise zunimmt.

Auf diese Weise kann das Brechen der Magneten 311 verhindert werden, wenn die Drehachseneinheit 200 in das Rotorelement 300 eingepresst wurde und sich der Durchmesser des Hülsenteils 301 gedehnt hat, und die Vielzahl von Magneten 311 zwischen dem Hülsenteil 301 und dem Halteelement 321 sicher gehalten werden. Ferner kann, da die Vielzahl von (nicht zylindrischen) Magneten 311 mit der inneren Umfangsfläche mit einer Bogenform um den Hülsenteil 301 angeordnet ist, auch wenn das Befestigungsspiel zwischen dem Rotorelement 300 und der Drehachseneinheit 200 groß ist und die Durchmesserdehnungsmenge des Hülsenteils 301 groß ist, ein Brechen der Magneten 311 verhindert werden. Zum Zeitpunkt der Durchmesserdehnung des Hülsenteils 301 wird, da sich der Hülsenteil 301 und die Magneten 311 auf der gesamten Fläche berühren und Anpresskraft auf die Magneten 311 von Hülsenteil 301 und Halteelement 321 ausgeübt wird, die Haltekraft für die Magneten 311 gesteigert. Somit kann ein Magnet 311 mit mehr Gewicht gehalten und die Stärke der Magneten 311 in der radialen Richtung vergrößert werden. Es können dadurch das Drehmoment und die Leistung des Elektromotors 100 gesteigert werden.

(2) Da der Hülsenteil 301 aus einem Metall auf Eisenbasis besteht, wird die Bearbeitung des Hülsenteils 301 vereinfacht und es können somit Herstellungskosten eingespart werden. Ferner ist, da die innere Umfangsfläche und äußere Umfangsfläche des Hülsenteils 301 in einer runden Form ausgebildet sind, die Stärke des Hülsenteils 301 in radialer Richtung über den gesamten Umfang in Umfangsrichtung konstant und es kann daher der Hülsenteil 301 in Umfangsrichtung gleichmäßig gedehnt werden und der Hülsenteil 301 und die Magneten 311 können sich zum Zeitpunkt des Einpressens der Drehachseneinheit 200 gleichmäßig in Umfangsrichtung berühren. Dadurch nimmt die Reibungskraft zwischen dem Hülsenteil 301 und der Drehachseneinheit 200 zu und es kann somit ein Rutschen der Magneten 311 in Umfangsrichtung in Bezug auf den Hülsenteil 301 zum Zeitpunkt der Drehung des Rotors 400 verhindert werden.
(3) Da die chemische Oberflächenbehandlung auf Phosphorsäure, auf Basis von Schwefelsäue oder auf Basis von Hydrochloridsäure bzw. Salzsäure auf wenigstens einem Teil der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 erfolgt, wird der Reibungskoeffizient der äußeren Umfangsfläche 304 groß und es können die Magneten 311 am Hülsenteil 301 sicher befestigt werden. Da ferner die chemische Oberflächenbehandlung erfolgt, wenn ein anaerober Klebstoff auf der befestigten Fläche des Magneten 311 verwendet wird, kann die Härtungsreaktion von diesem gefördert werden. Darüber hinaus kann die Haftkraft durch die chemische Oberflächenbehandlung verbessert werden.
(4) Da die Magneten 311 nicht an der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 in der Stufe des Rotorelements 300 haften, können sich die Magneten 311 in Bezug auf den Hülsenteil 301 verschieben, bis die gesamte innere Umfangsfläche der Magneten 311 die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 berührt, und dadurch kann ein Brechen der Magneten 311 verhindert werden.
(5) Der Rotor 400 umfasst die Drehachseneinheit 200 und das an der äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 aufgepresste und befestigte Rotorelement 300. Die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und die innere Umfangsfläche 316 der Magneten 311 berühren sich, so dass der Spalt 303 durch die Durchmesserdehnung des Hülsenteils 301 aufgrund der Presspassung der Drehachseneinheit 200 verschwindet, und der Hülsenteil 301 und die Vielzahl von Magneten 311 ist zwischen der Drehachseneinheit 200 und dem Halteelement 321 durch die im Halteelement 321 zur radialen Innenseite durch die Presspassung der Drehachseneinheit 200 erzeugten elastischen Rückstellkraft angeordnet. Somit wird die Drehachseneinheit 200 in das Rotorelement 300 gepresst und es können somit die Magneten 311 ohne Brechen fest gehalten werden, was zu einer größeren Zuverlässigkeit des Rotors 400 führt. Da die Haltekraft der Magneten 311 in Drehrichtung des Rotors 400 verbessert wird, kann die Höchstdrehzahl des Rotors 400 erhöht werden, was zu einer höheren Leistung des Elektromotors 100 führt.
(6) In dem Zustand, in dem der Rotor 400 fertiggestellt ist, haften die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und die innere Umfangsfläche 316 der Magneten 311 durch den Klebstoff wenigstens in einem Teilbereich aneinander. Somit muss die elastische Rückstellkraft des Halteelements 321 nicht übermäßig vergrößert werden und wenn das Halteelement 321 aus Carbonfasern besteht, können die Magneten 311 sicher am Hülsenteil 301 befestigt werden, wobei ein Nachgeben der Faser und ein Ablösen, Reißen, Brechen u. Ä. einer Faserschicht verhindert wird.
(7) Da als Klebstoff ein anaerober Klebstoff auf Acrylbasis, der Hydroperoxid enthält, verwendet wird und somit die Härtungsreaktion des Klebstoffs schnell erfolgt, kann das Haften der Magneten 311 noch zusätzlich verbessert werden.
(8) In dem Zustand, in dem der Rotor 400 fertiggestellt ist, berührt die innere Umfangsfläche 316 der Magneten 311 die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 über der gesamten Fläche in Umfangsrichtung. Somit kann die Haltekraft der Magneten 311 verbessert werden und die Spannungskonzentration am Kontaktteil zwischen den Magneten 311 und dem Hülsenteil 301 wird verringert, wodurch das Brechen der Magneten 311 verhindert werden kann.
(9) Wenn ein Elektromotor, insbesondere ein Elektromotor für eine Werkzeugmaschine, den Rotor 400 umfasst, ist dies besonders bevorzugt, da eine hohe Haltekraft der Magneten 311 erforderlich ist. Es ist demzufolge im hohen Grade wahrscheinlich, dass die Magneten in Drehrichtung durch Einwirkung (Geschwindigkeitsänderung) der Drehrichtung, die zum Zeitpunkt des Schneidens in Bezug auf die Hauptwelle der Werkzeugmaschine erzeugt wird, rutschen. Wenn somit ein Rotor im Elektromotor für eine Werkzeugmaschine verwendet wird, muss die Befestigung der Magneten in Drehrichtung des Rotors zuverlässiger durchgeführt werden. Hierzu kann der Rotor der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise verwendet werden.
(10) Als Verfahren zum Herstellen des Rotors 400 wird die Vielzahl von Magneten 311 entlang der äußeren Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 angeordnet, wird das Halteelement 321 so angeordnet, dass es die Vielzahl von Magneten 311 umgibt, wird der Klebstoff zwischen dem Hülsenteil 301 und den Magneten 311 eingebracht, wird das Rotorelement 300 zur radialen Außenseite der Drehachseneinheit 200 gepresst, bevor der Klebstoff härtet, wird ermöglicht, dass sich die äußere Umfangsfläche 304 des Hülsenteils 301 und die innere Umfangsfläche 316 der Magneten 311 berühren können, so dass der Spalt 330 durch die Durchmesserdehnung des Hülsenteils 301 durch die Presspassung der Drehachseneinheit 200 verschwindet, wenn das Rotorelement 300 eingepresst wird, und wird ermöglicht, dass der Hülsenteil 301 und die Vielzahl von Magneten 311 zwischen der Drehachseneinheit 200 und dem Halteelement 321 durch die im Halteelement 321 zur radialen Innenseite durch die Presspassung der Drehachseneinheit 200 erzeugte elastische Rückstellkraft angeordnet werden.

Auf diese Weise kann vor dem Härten des Klebstoffs der Durchmesser des Hülsenteils 301 durch Presspassung gedehnt werden und somit können die Drehachseneinheit 200 und das Rotorelement 300 integral miteinander ausgebildet werden, indem sie sich berühren können, während das Brechen der Magneten 311 verhindert wird. Insbesondere wird ein eingebauter Motor von einem Käufer im Zustand des Rotorelements 300 gekauft. Wenn daher die Magneten 311 am Hülsenteil 301 in der Stufe des Rotorelements 300 haften, wenn ein Käufer eines Motors die Drehachseneinheit 200 in das Rotorelement 300 presst, können die Magneten 311 brechen, da die innere Umfangsfläche der Magneten 311 in Umfangsrichtung entsprechend der Dehnung des Hülsenteils 301 gezogen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird in der vorliegenden Ausführungsform die Drehachseneinheit 200 vor dem Härten des Klebstoffs eingepresst und somit kann das Brechen der Magneten 311 verhindert werden.

(11) Nach dem Einpressen des Rotorelements 300 können, da der Klebstoff gehärtet ist, die Magneten 311 sicher am Hülsenteil 301 befestigt werden und es kann das Rutschen der Magneten 311 im Zustand, in dem der Rotor 400 fertiggestellt ist, zuverlässig verhindert werden.
(12) Wenn das Halteelement 321 aus Carbonfaser besteht, wird, bevor das Halteelement 321 so angeordnet wird, dass es die Vielzahl von Magneten 311 umgibt, der Hülsenteil 301, auf dem die Vielzahl von Magneten 311 angeordnet wurden, abgekühlt und somit kann das Halteelement 321 problemlos auf die äußere Umfangsfläche 317 der Magneten 311 ohne Verwenden einer Schrumpfpassung montiert werden.

Ferner werden in der zuvor genannten Ausführungsform die Magneten 311 und der Hülsenteil 301 mit dem Klebstoff befestigt. Wenn allerdings eine ausreichende Haltekraft der Magneten 311 in Bezug auf die Drehzahl des Rotors 400 erzielt werden kann, kann auf den Klebstoff auch verzichtet werden. Wenn also der in radialer Richtung zum Umfangsrandteil 311b des Hülsenteils 301 zunehmende Spalt 330 zwischen der äußeren Umfangsfläche 304 des zylindrischen Hülsenteils 301 und der inneren Umfangsfläche 316 der entlang der äußeren Umfangsfläche 304 angeordneten Vielzahl von Magneten 311 angeordnet ist, ist der Klebstoff optional.
In der zuvor genannten Ausführungsform ist der Umfang der Vielzahl von Magneten 311 vom Halteelement 321 abgedeckt. Es kann aber auch ein separates zylindrisches Element um das Halteelement 321 angeordnet sein. Auf diese Weise können Haftstellen der Endteile des Halteelements 321 vor dem Ablösen aufgrund des Winddrucks zum Zeitpunkt der Drehung des Rotors 400 geschützt werden und es kann somit die Lebensdauer des Rotors 400 verlängert werden.
In der zuvor genannten Ausführungsform sind jeweils verjüngte Flächen in der äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 und der inneren Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 ausgebildet und beide sind über diese verjüngten Flächen eingepresst. Die Ausbildungen der Presspassungsflächen (äußere Umfangsfläche 202 und innere Umfangsfläche 306) sind aber nicht hierauf beschränkt. 13 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Modifizierung von 1. In 13 sind die innere Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 und die äußere Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 nicht jeweils verjüngte Flächen, sondern zylindrische Flächen um die axiale Mittelachsenlinie O₁ und der Hülsenteil 301 und die Drehachseneinheit 200 sind integral durch Presspassung befestigt.
Insbesondere ist eine Vielzahl von Flüssigkeitskanälen 308, die mit einem Außenraum 307 des Rotors 400 und einer Presspassungsfläche zwischen der inneren Umfangsfläche 306 des Hülsenteils 301 und der äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 in Verbindung stehen, im konvexen Teil 305 des Hülsenteils 301 im gleichen Abstand in Umfangsrichtung ausgebildet. Jeder Flüssigkeitskanal 308 ist mit einem Schraubenloch 308a ausgebildet, das zum Außenraum 307 zeigt. Der Hülsenteil 301 ist an beiden Endteilen hiervon in axialer Richtung mit ringförmigen Nuten ausgebildet und ein Dichtelement 309 wie ein O-Ring ist in der ringförmigen Nut montiert.
In 13 wird beim Einpressen des Rotorelements 300 an der Drehachseneinheit 200 eine Düse für die Ölzufuhr in das Schraubenloch 308a gesetzt und es wird Öl zwischen der inneren Umfangsfläche 306 und der äußeren Umfangsfläche 202 über die Vielzahl von Flüssigkeitskanälen 308 in Umfangsrichtung zugeführt. Der Durchmesser des Hülsenteils 301 wird durch den Druck des zugeführten Öls gedehnt und es kann somit das Rotorelement 300 problemlos an der äußeren Umfangsfläche 202 der Drehachseneinheit 200 montiert werden. Zu diesem Zeitpunkt dient wenigstens einer der Flüssigkeitskanäle 308 zur Entlüftung. Da das zugeführte Öl vom Dichtelement 309 abgedichtet wird, kann ein Austritt des Öls in den Außenraum 307 verhindert werden. Da das Öl zum Verbessern der Schmierung dient, kann die Drehachseneinheit 200 in eine vorgegebene Position in axialer Richtung rutschen.
Zusätzlich wurde in der zuvor genannten Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem das Rotorelement 300 und der Rotor 400 auf einen Elektromotor zum Antrieb der Hauptwelle einer Werkzeugmaschine angewendet werden. Das Rotorelement und der Rotor der vorliegenden Erfindung können aber ebenso auf andere Elektromotoren (Dynamomaschinen) sowie den Elektromotor der Werkzeugmaschine angewendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwischen einer äußeren Umfangsfläche eines zylindrischen Hülsenteils und einer inneren Umfangsfläche einer entlang der äußeren Umfangsfläche angeordneten Vielzahl von Magneten ein zu einem Umfangsrandteil der Magneten zunehmender Spalt in radialer Richtung ausgebildet und es kann somit ein Brechen der Magneten verhindert werden, wenn eine Drehachseneinheit eingepresst wird und der Durchmesser des Hülsenteils gedehnt wurde, und es kann die Vielzahl von Magneten sicher am Hülsenteil befestigt werden.
Die vorhergehende Beschreibung ist lediglich ein Beispiel und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor genannten Ausführungsformen und Modifikationen beschränkt, solange sie nicht die Merkmale der vorliegenden Erfindungen beeinträchtigen. Elemente der Ausführungsformen und Modifikationen umfassen Elemente, die ersetzt werden können und offensichtlich ersetzt sind, während die Identifizierung der vorliegenden Erfindung erhalten bleibt. Somit sind andere Ausführungsformen im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten. Es können auch eine oder mehrere der Ausführungsformen und Modifikationen beliebig kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-89142 [0002, 0004]

Claims

An einer Drehachseneinheit (200) einer Dynamomaschine (100) befestigtes Rotorelement (300), umfassend: einen zylindrischen Hülsenteil (301) mit einer runden äußeren Umfangsfläche (304); eine Vielzahl von entlang der äußeren Umfangsfläche (304) angeordneten Magneten (311), wobei jeder der Vielzahl von Magneten (311) eine innere Umfangsfläche (316) mit einem Krümmungsradius größer als ein Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) aufweist; und ein die Vielzahl von Magneten (311) umgebendes zylindrisches Halteelement (321), wobei zwischen der äußeren Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) und der inneren Umfangsfläche (316) der Magneten (311) ein zum Umfangsrandteil (311b) der Magneten (311) zunehmender Spalt (330) in radialer Richtung angeordnet ist.
Rotorelement nach Anspruch 1, wobei der Hülsenteil (301) aus einem Metall auf Eisenbasis besteht.
Rotorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein Teil der äußeren Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) einer chemischen Oberflächenbehandlung auf Basis von Phosphorsäue, auf Basis von Schwefelsäure oder auf Basis von Hydrochloridsäure unterzogen wird.
Rotorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magneten (311) nicht auf der äußeren Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) haften.
Rotor (400) umfassend: eine Drehachseneinheit (200); und das Rotorelement (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das an einer äußeren Umfangsfläche (202) der Drehachseneinheit (200), aufgepresst und befestigt ist, wobei sich die Fläche (304) des Hülsenteils (301) und die innere Umfangsfläche (316) der Magneten (311) berühren, so dass der Spalt (330) durch die Durchmesserdehnung des Hülsenteils (301) aufgrund der Presspassung der Drehachseneinheit (200) beseitigt wird, und der Hülsenteil (301) und die Vielzahl von Magneten (311) zwischen der Drehachseneinheit (200) und dem Halteelement (321) durch im Halteelement (321) zu einer radialen Innenseite durch Presspassung der Drehachseneinheit (200) erzeugte elastische Rückstellkraft angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 5, wobei die Fläche (304) des Hülsenteils (301) und die innere Umfangsfläche (316) der Magneten (311) durch einen Klebstoff wenigstens in einem Teilbereich aneinander haften.
Rotor nach Anspruch 6, wobei der Klebstoff ein anaerober Klebstoff auf Acrylbasis ist, der Hydroperoxid enthält.
Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die innere Umfangsfläche (316) der Magneten (311) die äußere Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) über die gesamte Fläche in Umfangsrichtung berührt.
Elektromotor umfassend den Rotor (400) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
Werkzeugmaschine umfassend den Elektromotor (100) nach Anspruch 9.
Verfahren zum Herstellen des Rotors nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend die Schritte zum: Anordnen der Vielzahl von Magneten (311) entlang der äußeren Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301); Anordnen des Halteelements (321), so dass es die Vielzahl von Magneten (311) umgibt; Einbringen eines Klebstoffs zwischen dem Hülsenteil (301) und den Magneten (311); Pressen des Rotorelements (300) an eine radiale Außenseite der Drehachseneinheit (200), bevor der Klebstoff härtet; Ermöglichen, dass sich die äußere Umfangsfläche (304) des Hülsenteils (301) und die innere Umfangsfläche (316) der Magneten (311) berühren, so dass der Spalt (330) durch die Durchmesserdehnung des Hülsenteils (301) aufgrund der Presspassung der Drehachseneinheit (200) beseitigt wird, wenn das Rotorelement (300) aufgepresst wird; und Ermöglichen, dass der Hülsenteil (301) und die Vielzahl von Magneten (311) zwischen der Drehachseneinheit (200) und dem Halteelement (321) durch im Halteelement (321) zu einer radialen Innenseite durch Presspassung der Drehachseneinheit (200) erzeugte elastische Rückstellkraft angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei nach dem Aufpressen des Rotorelements (300) der Klebstoff gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Klebstoff ein anaerober Klebstoff auf Acrylbasis ist, der Hydroperoxid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Halteelement (321) Carbonfasern aufweist, und der Hülsenteil (301), auf dem die Vielzahl von Magneten (311) angeordnet wurde, abgekühlt wird, bevor das Halteelement (321) so angeordnet wird, dass es die Vielzahl von Magneten (311) umgibt.