DE102018118327A1

DE102018118327A1 - Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102018118327A1
Application number: DE102018118327.5A
Authority: DE
Inventors: Artur Heidebrecht; Sebastian Emde; Andreas Dietrich; Christian Mohnke
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (1), aufweisend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5) aufweist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Eisenbleche (6, 7) durch Stanzen, Laserschneiden oder Erodieren aus Eisenblechmaterial hergestellt werden, wobei bogenförmige Aufnahmen (8) für die Permanentmagnetmittel (4) herausgearbeitet werden, wobei die Eisenbleche (6, 7) in zwei Varianten A und B hergestellt werden, mit und ohne Verbindungsstege (9), die die bogenförmigen Aufnahmen (8) stellenweise überbrücken, und wobei die Eisenbleche (6, 7) gestapelt werden, indem jeweils auf ein Eisenblech (6) der Formvariante A, das Verbindungsstege (9) enthält, eine Mehrzahl von Eisenblechen (7) der Formvariante B folgt, die keine Verbindungsstege enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, der einen Stator und einen inneren Rotor aufweist, wobei der Rotor Permanentmagnetmittel und aus Eisenblechen bestehende Flussleitelemente enthält.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors zu beschreiben, der im Vergleich zu den bekannten Elektromotoren hinsichtlich des Verlaufs der Magnetflüsse durch die eisernen Flussleitmittel und hinsichtlich der Ausnutzung der vorhandenen Rotormasse für die Erzeugung hoher Drehmomente und hinsichtlich des Wirkungsgrads eine Verbesserung aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mindestens teilweise durch die Verfahrensmerkmale des ersten Patentanspruchs, weiter ausgeführt durch die darauffolgenden Verfahrensansprüche und Vorrichtungsansprüche.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren beginnt mit den folgenden Prozessschritten:

- die Eisenbleche werden durch Stanzen, Laserschneiden oder Erodieren aus Eisenblechmaterial hergestellt, wobei bogenförmige Aufnahmen für die Permanentmagnetmittel herausgearbeitet werden,
- die Eisenbleche werden in zwei Varianten A und B hergestellt, mit und ohne Verbindungsstege, die die bogenförmigen Aufnahmen stellenweise überbrücken,
- die Eisenbleche werden gestapelt, wobei jeweils auf mindestens ein Eisenblech, das Verbindungsstege enthält, eine Mehrzahl von Eisenblechen folgt, die keine Verbindungsstege enthalten.

Die folgenden Ansprüche beschreiben weitere Prozessschritte für unterschiedliche Ausführungen des Rotors. Daran schließen sich weitere Ansprüche an, die die hergestellte Vorrichtung näher beschreiben.
In einem ersten vorteilhaften weiteren Verfahren werden die Permanentmagnetmittel in die Aufnahmen eingebracht, indem der Stapel aus Eisenblechen in ein Werkzeug einer Spritzgießmaschine eingelegt wird und in die Aufnahmen eine Mischung aus magnetisierbaren Partikeln und Kunststoffmatrix in materialabhängig ausreichend erwärmtem Zustand eingespritzt wird, wobei noch vor dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT an den Mantelflächen der gestapelten Eisenbleche die magnetisierbaren Partikel nach den genannten magnetischen Feldern ausgerichtet werden.
In einem zweiten weiteren Verfahren werden die Eisenbleche in zwei Gruppen, einer inneren Gruppe und einer äußeren Gruppe, miteinander verklebt, um den Flussleitelementen die notwendige Stabilität zu geben. Die Permanentmagnetmittel werden vorgeformt, wobei die Vorformung vorzugsweise in einer Spritzgussmaschine erfolgt, und vor dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix werden die magnetisierbaren Partikel durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT an den Seitenflächen der Vorformlinge nach den genannten magnetischen Feldern ausgerichtet. Die vorgeformten Permanentmagnetmittel werden in die gestapelten Eisenbleche eingefügt.
Nach der Ausführung eines der oben beschriebenen weiteren Verfahren zum Einbringen der Permanentmagnetmittel wird nach dem Erkalten und/oder Aushärten der Kunststoffmatrix der Rotor in eine Vorrichtung eingelegt, in der die magnetisierbaren Partikel in den Permanentmagnetmitteln durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen der gestapelten Eisenbleche magnetisiert werden, wobei die genannten Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen erzeugt werden.
In einem weiteren alternativen Verfahren werden bereits im Anschluss an das erste Verfahren zum Einbringen der Permanentmagnetmittel nach dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix die magnetisierbaren Partikel in den Permanentmagnetmitteln durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen der gestapelten Eisenbleche magnetisiert, wobei die genannten Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen erzeugt werden, die in dem Werkzeug der Spritzgießmaschine angeordnet sind.
Die Mindeststärke T2 der genannten Magnetfelder richtet sich nach dem Material der Partikel:

- Hartferrit: > 0.5 T
- AlNiCo > 1 T
- NdFeB > 1.7 T
- SmCo > 1.9 T

Die Eisenbleche liegen in zwei Formvarianten vor, die Formvarianten unterscheiden sich durch die bogenförmigen Aufnahmen stellenweise überbrückende Verbindungsstege, die in einer ersten Formvariante A vorhanden sind, und in einer zweiten Formvariante B fehlen.
Vorteilhafterweise bilden die bogenförmigen Aufnahmen in der Formvariante B zusammen eine geschlossene Sternform, in der die in den Aufnahmen ruhenden benachbarten Permanentmagnetmittel sich gegenseitig berühren. Die Sternform verbessert den Magnetfluss in dem Rotor.
Weiter vorteilhafterweise sind die bogenförmigen Aufnahmen so geformt, dass die Aufnahmen die Mantelfläche des Rotors zweifach und jeweils rechtwinklig berührt. Dadurch ergibt sich eine gute Ausnutzung der Rotormasse.
Die bogenförmigen Aufnahmen sind vorzugsweise durch zwei bogenförmige Kurven begrenzt, die aus Mittelstücken und jeweils aus zwei geraden Schenkeln bestehen, wobei die Mittelstücke die Form eines Kreissegments, einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen.
Die bogenförmigen Aufnahmen erstrecken sich vorteilhafterweise von der Mantelfläche des Rotors bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% gesamten Rotorradius, höchstens zu einem Rotorradius von 30%, vorzugsweise zu einem Rotorradius zwischen 45% und 55% des gesamten Rotorradius. Damit wird eine gute Ausnutzung der Rotormasse erreicht.
Das Material der magnetisierbaren Partikel ist aus der folgenden Gruppe von Legierungen ausgewählt:

- Neodym-Eisen-Bor
- Samarium-Kobalt
- Aluminium-Nickel-Kobalt
- Hartferrit Barium-Eisenoxid
- Hartferrit Strontium-Eisenoxid
- Hartferrit Kobalt-Eisenoxid.

Dabei wird die Legierung Neodym-Eisen-Bor bevorzugt, wenn gleichzeitig eine hohe magnetische Flussdichte und günstige Kosten gefordert werden. Bei sehr hohen Anforderungen an die Temperaturfestigkeit wird die Legierung Samarium-Kobalt bevorzugt.
Die Hartferrit-Legierungen werden bevorzugt, wenn vorrangig niedrige Kosten gefordert werden.
Das Material der Kunststoffmatrix ist entweder ist aus dieser Gruppe thermoplastischer Werkstoffe
PA6, PA12 oder PPS
ausgewählt, oder aus einer dieser beiden Gruppen duroplastischer Werkstoffe:

- Kondensationsharz wie Phenolharz, Harnstoffharz oder Melaminharz,
- Reaktionsharz wie Epoxidharz, Polyurethan oder Polyesterharz.

Dabei wird der Werkstoff PPS bevorzugt, wenn eine hohe Temperaturfestigkeit gefordert ist, und der Werkstoff PA6 wird bevorzugt, wenn die Anforderungen an die Temperaturfestigkeit geringer sind und die Kosten günstiger sein sollen. Epoxidharz als Werkstoff wird bevorzugt, wenn die Permanentmagnetmittel (4) vorgeformt und eingeschoben werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Schnittdarstellung des Elektromotors,
2 eine Ansicht der gestapelten Eisenbleche
3 eine Ansicht der durch Einspritzen in die nicht gezeigten Flussleitmittel erzeugten Permanentmagnetmittel (Eisenblech Formvariante B)
4 eine Ansicht eines Eisenblechs mit Stegen (Formvariante A)
5 Ansicht eines vorgeformten Permanentmagnetmittels mit einer ersten Ausbildungen der neutralen Zone nach der Magnetisierung
6 Ansicht eines vorgeformten Permanentmagnetmittels mit einer zweiten Ausbildung der neutralen Zone nach der Magnetisierung.
7 eine Ansicht des Rotors mit gestapelten Eisenblechen und mit einem vorgeformten Permanentmagnetmittel vor dem Einfügen

1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors (1), der einen Stator (2) und einen Rotor (3) enthält. Der Rotor (3) enthält Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5).
Wie 2 zeigt, liegen die Eisenbleche (6, 7) in zwei Formvarianten (A, B) vor, und bilden eine Mehrzahl von bogenförmigen Aufnahmen (8) für die Permanentmagnetmittel (4). Die genannten Formvarianten unterscheiden sich durch die bogenförmigen Aufnahmen (8) stellenweise überbrückende Verbindungsstege (9), die in einer ersten Formvariante A vorhanden sind, und in einer zweiten Formvariante B fehlen.
Wie Bild 3 zeigt, bilden in der Formvariante B der Eisenbleche (7) die Permanentmagnetmittel (4) in den bogenförmigen Aufnahmen (8) zusammen eine geschlossene Sternform, in der die benachbarten Permanentmagnetmittel (4) sich gegenseitig berühren.
Wie Bild 4 zeigt, sind die bogenförmigen Aufnahmen (8) vorzugsweise so geformt, dass der Bogen (13) die Mantelfläche (10) des Rotors (3) zweifach und jeweils rechtwinklig berührt.
Weiter vorzugsweise sind gemäß 5 die bogenförmigen Aufnahmen (8) durch zwei gebogene Flächen (12, 13) begrenzt, die aus Mittelstücken (19, 20) und jeweils aus zwei geraden Schenkeln (17, 17', 18, 18') bestehen, wobei die Mittelstücke (19, 20) senkrecht zur Längsachse geschnitten die Form eines Kreissegments, einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen.
Die bogenförmigen Aufnahmen (8) erstrecken sich vorteilhafterweise von der Mantelfläche (10) des Rotors (3) bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% des gesamten Rotorradius und höchstens zu einem Rotorradius von 30% des gesamten Rotorradius.
Die Permanentmagnetmittel (4) bestehen, wie in 3 dargestellt, aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln (15) in einer Kunststoffmatrix (14).
In einer bevorzugten Ausführung ist der Rotor (3) durch Einspritzen der Mischung von Kunststoffmatrix (14) und Partikeln (15) im materialabhängig ausreichend erwärmten Zustand in die bogenförmigen Aufnahmen (8) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) hergestellt.
In einer alternativen Ausführung ist der Rotor (3) durch Einfügen von vorgeformten Permanentmagnetmittel (4) in Längsrichtung des Rotors (3) in die bogenförmigen Aufnahmen (8) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) hergestellt.
5 und 6 zeigen vorgeformte Permanentmagnetmittel (4) mit unterschiedlichen Lagen der neutralen Zone (16) nach der Magnetisierung. Die Lage der neutralen Zone (16) richtet sich nach dem Prozess der Magnetisierung; erfolgt diese in den Flussleitelementen (5), ergibt sich eine Lage der neutralen Zone (16) gemäß 6, wenn die Magnetisierung in einer separaten Vorrichtung erfolgt, ergibt sich eine Lage der neutralen Zone (16) gemäß 5.
Bei dem Zusammenbau des Rotors (3) werden, wie 7 zeigt, die Flussleitelemente (5) in einer inneren Gruppe (21) und in einer äußeren Gruppe (22) angeordnet, wobei die zugehörigen Eisenbleche (6, 7) vorzugsweise miteinander verklebt werden. 7 zeigt auch eines vorgeformten Permanentmagnetmittels (4) vor dem Einfügen in eine Aufnahme (8) zwischen den Gruppen (21, 22) der Flussleitelemente (5).
Die vorhergehende Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Stator
3: Rotor
4: Permanentmagnetmittel
5: Flussleitelemente
6: Eisenblech
7: Eisenblech
8: Aufnahme
9: Verbindungssteg
10: Mantelfläche
12: Fläche
13: Fläche
14: Kunststoffmatrix
15: Partikel
16: Neutrale Zone
17: Schenkel
18: Schenkel
19: Mittelstück
20: Mittelstück
21: Innere Gruppe
22: Äußere Gruppe

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (1), aufweisend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Prozessschritte enthält: - die Eisenbleche (6, 7) werden durch Stanzen oder Laserschneiden oder Erodieren aus Eisenblechmaterial hergestellt, wobei bogenförmige Aufnahmen (8) für die Permanentmagnetmittel (4) herausgearbeitet werden, - das Eisenblech (6) der ersten Art wird in der Variante A hergestellt, mit Verbindungsstegen (9), die die bogenförmigen Aufnahmen (8) stellenweise überbrücken, - das Eisenblech (7) der zweiten Art wird in der Varianten B hergestellt, ohne die Verbindungsstege (9), die die bogenförmigen Aufnahmen (8) stellenweise überbrücken, - die Eisenbleche (6, 7) werden gestapelt, wobei jeweils auf mindestens ein Eisenblech (6) der Formvariante A, das Verbindungsstege (9) enthält, eine Mehrzahl von Eisenblechen (7) der Formvariante B folgt, die keine Verbindungsstege enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die folgenden Prozessschritte anschließen: - der Stapel aus Eisenblechen (6, 7) wird in ein Werkzeug einer Spritzgießmaschine eingelegt und in die Aufnahmen (8) wird eine Mischung aus magnetisierbaren Partikeln (15) und Kunststoffmatrix (14) in materialabhängig ausreichend erwärmtem Zustand eingespritzt, - noch vor dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix (14) werden durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT an den Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) die magnetisierbaren Partikel nach den genannten magnetischen Feldern ausgerichtet,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die folgenden Prozessschritte anschließen: - die Eisenbleche (6, 7) werden in zwei Gruppen, einer inneren Gruppe (21) und einer äußeren Gruppe (22), gestapelt und vorzugsweise miteinander verklebt, - die Permanentmagnetmittel (4) werden vorgeformt, - noch vor dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix (14) werden durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT, vorzugsweise größer als 90 mT, an den Mantelflächen der vorgeformten Permanentmagnetmittel die magnetisierbaren Partikel nach den genannten magnetischen Feldern ausgerichtet, - und die vorgeformten Permanentmagnetmittel (4) werden in die gestapelten Eisenbleche (6, 7) einfügt.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der folgende Prozessschritt anschließt: - nach dem Erkalten und/oder Aushärten der Kunststoffmatrix (14) wird der Rotor (3) in eine Vorrichtung eingelegt, in der die magnetisierbaren Partikel (15) in den Permanentmagnetmitteln (4) durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel (4) abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) magnetisiert werden, wobei die genannten Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der folgende Prozessschritt anschließt: - Nach dem Erkalten oder Aushärten der Kunststoffmatrix (14) werden die magnetisierbaren Partikel (15) in den Permanentmagnetmitteln (4) durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel (4) abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) magnetisiert, wobei die genannten Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen erzeugt werden, die in dem Werkzeug der Spritzgießmaschine angeordnet sind.
Elektromotor, hergestellt nach einem der in den vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Herstellverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) in der Formvariante B der Eisenbleche (7) zusammen eine geschlossene Sternform bilden, in der die in den Aufnahmen (8) ruhenden benachbarten Permanentmagnetmittel (4) sich gegenseitig berühren.
Elektromotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) so geformt sind, dass die Aufnahmen (8) die Mantelfläche (10) des Rotors (3) zweifach und jeweils rechtwinklig berührt, wobei die bogenförmigen Aufnahmen (8) durch zwei gebogene Flächen (12, 13) begrenzt sind, die aus Mittelstücken (19, 20) und jeweils aus zwei geraden Schenkeln (17, 17', 18, 18') bestehen, wobei die Mittelstücke (19, 20) senkrecht zur Längsachse geschnitten die Form eines Kreissegments, einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen, und wobei die bogenförmigen Aufnahmen (8) sich von der Mantelfläche (10) des Rotors (3) bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% des gesamten Rotorradius erstrecken, und höchstens zu einem Rotorradius von 30% des gesamten Rotorradius.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der magnetisierbaren Partikel (15) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe von Legierungen: - Neodym-Eisen-Bor - Samarium-Kobalt - Aluminium-Nickel-Kobalt - Barium-Eisenoxid - Strontium-Eisenoxid - Kobalt-Eisenoxid.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kunststoffmatrix (14) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe thermoplastischer Werkstoffe: PA6, PA12, PPS.
Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kunststoffmatrix (14) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe duroplastischer Werkstoffe: - Kondensationsharz wie Phenolharz, Harnstoffharz oder Melaminharz - Reaktionsharz wie Epoxidharz, Polyurethan oder Polyesterharz.