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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine axiale Magnet-Sicherung für den Rotor einer elektrischen Maschine und eine Verwendung eines Rotors in einer Umgebung mit mechanischen Vibrationen, sowie eine elektrische Maschine, die einen Rotor umfasst.
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Stand der Technik
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Elektrische Antriebe sind unter Umständen durch starke Schock- und Vibrationseinflüsse ausfallgefährdet.
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Aus dem Stand der Technik sind Rotoren für elektrische Maschinen bekannt, welche beispielsweise für einen Synchronmotor, -generator oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor eingesetzt werden können (
DE 10 2013 020 360 A1 ). Diese Rotoren weisen einen zentralen Wellenabschnitt auf, auf dem in Wellenumfangsrichtung verteilt angeordnete Magnete aufgeklebt sind, welche durch eine Sicherung gegen Verrutschen gehalten werden.
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Allerdings haben bisher bekannte Lösungen aus dem Stand der Technik Restriktionen in Bezug auf die Konstruktion des Rotors.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und/oder flexibler einsetzbare Vorrichtung zur Sicherung von Permanentmagneten auf einer Motorwelle zu bieten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Rotor für eine elektrische Maschine umfassend eine Motorwelle und auf der Motorwelle verteilt angeordnete Permanentmagnete, die durch eine Sicherung gegen Verschiebungen in axialer Richtung des Rotors gesichert werden, wobei die Sicherung zumindest zwei Ringsegmente umfasst, vorgesehen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor in einer der hierin beschriebenen typischen Ausführungsformen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Rotors in einer der hierin beschriebenen typischen Ausführungsformen in einer Umgebung mit mechanischen Vibrationen.
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Typische Sicherungen im Rahmen der Erfindung sind montierbar, auch wenn die Motorwelle, der Rotor oder die Welle Störkonturen aufweisen, also beispielsweise eine axial aufschiebende Montage einer als Ring ausgeführten Sicherung an der entsprechenden Stelle auf Grund von axialen Hinterschneidungen nicht möglich ist. Die Freiheitsgrade bei der Konstruktion des Rotors werden erhöht.
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Krafteinwirkungen auf Permanentmagnete können radial in Form von Fliehkraft, tangential beispielsweise in Form eines Nutzdrehmoments oder axial wirken, wenn beispielsweise eine Umgebung mit starken mechanischen Vibrationen oder starken schockartigen Einflüssen auf den Rotor einwirken.
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Die Montage der Magnete gilt allgemein als kompliziert und kann durch die hier beschriebene Lösung vereinfacht werden.
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Typischerweise werden Sicherungen aus Materialien mit geringer magnetischer Permeabilität hergestellt, um einen magnetischen Fluss nicht durch die Sicherung kurzzuschließen.
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Typische Motorwellen sind für die Verwendung in einer elektrischen Maschine, beispielsweise einem elektrischen Antrieb vorgesehen oder sind in einer elektrischen Maschine montiert, wobei die elektrische Maschine beispielsweise zumindest eine der folgenden Komponenten umfasst: ein Motorgehäuse, ein oder mehrere Statorblechpakete mit eingelegter Wickelung, ein oder mehrere Lagerschilde, Anbauteile wie beispielsweise Deckel oder Anschlusskasten oder Abdeckungen. Je nach Konstruktion ist es beispielsweise möglich, dass diese Komponenten miteinander kombiniert oder einteilig ausgeführt werden.
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Unter Motorwelle fallen beispielsweise Wellen oder Rotoren, die beispielsweise massiv oder hohl oder einteilig oder aus mehreren Teilen aufgebaut sind. In Ausführungsformen ist die Motorwelle einteilig und als Hohlwelle ausgeführt. Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Sicherung zumindest zwei Ringsegmente.
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Die Ringsegmente können bei typischen Ausführungsformen aus einem zuvor gefertigten voll umfänglichen Ring hergestellt sein oder können als Einzelteile gefertigt sein. Bei mehreren Ringsegmenten ist die Aufteilung typischerweise über den Umfang der Welle in gleichteiligen Ringsegmenten vorgesehen, also beispielsweise bei zwei Ringsegmenten einem Umfang der maximal dem halben Wellenumfang entspricht. So können die Ringsegmente bei zweiteiliger Ausführung; typischerweise mindestens 160°, typischerweise mindestens 170°, typischerweise mindestens 175°, typischerweise mindestens 179° oder typischerweise unter 180° aufweisen. Typische Ausführungsformen weisen einen Umspannwinkel von zumindest im Wesentlichen 180° auf.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung die drei oder mehr Ringsegmente umfassen, umspannen die Ringsegmente maximal den entsprechenden Anteil des Wellenumfangs, entsprechend der Anzahl der Ringsegmente.
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Die Ringsegmente können bei weiteren Ausführungsformen unterschiedliche Umfangswinkelanteile der Welle aufweisen. Bei zwei Ringsegmenten kann beispielsweise das eine Ringsegment zumindest im Wesentlichen ein Drittel des Umfangs aufweisen und das andere zumindest im Wesentlichen zwei Drittel der Welle umfangen. Es sind typischerweise auch andere Umfangsteilungen verwendbar.
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Typischerweise umschließt die Sicherung die Motorwelle oder die Motorwelle insbesondere entlang eines Umfangs der Motorwelle vollständig in montiertem Zustand. Vollständig umschließen bedeutet hierin typischerweise, dass mindestens 95% oder mindestens 98% des Umfangs umschlossen sind. Bei typischen Ausführungsformen mit vollständig umschlossener Motorwelle bleibt zwischen den Ringsegmenten bei der Montage beispielsweise maximal ein kleiner Spalt bleibt, so dass das System nicht überbestimmt ist. Typischerweise ist der Spalt sehr klein, beispielsweise mindestens 0,1 mm, typischerweise mindestens 0,5 mm, typischerweise mindestens 1 mm oder typischerweise unter 5mm. Typische Spalte haben eine Weite von mindestens 0,01° oder mindestens 0,1° oder mindestens 1° oder höchstens 5°. Typische Spalte überstreichen einen Winkelbereich von weniger 90°, typischerweise unter 20°, typischerweise unter 10°, typischerweise unter 2°. Beispielsweise kann die Sicherung auch nur Teile des Wellenumfangs an der Montagestelle umfassen, so dass eine Sicherung der verteilt angeordneten Permanentmagnete in axialer Richtung des Rotors erfolgt.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung ist der Innendurchmesser der Sicherung kleiner als der Wellendurchmesser einer Störkontur des Rotors. Eine Störkontur ist eine Kontur, die ein Aufschieben eines Vollrings auf die Welle an eine bestimmte Montagestelle verhindert und es von beiden Seiten der Welle keine Möglichkeit gibt, diesen vollumfänglichen Ring an der vorgesehenen Stelle zu montieren.
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Eine Störkontur stellt beispielsweise ein Lagersitz dar, dessen Lageraufnahme einen größeren Durchmesser aufweist als der Wellendurchmesser an der Stelle, an der die Sicherung montiert werden soll, so dass die Sicherung nicht über den Lagersitz auf die Welle aufgeschoben werden kann. Bei typischen Ausführungsformen bildet die Störkontur einen Lagersitz für ein Wellenlager.
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Typischerweise kann eine aus mindestens zwei Ringsegmenten bestehende Sicherung zur Sicherung von Permanentmagneten auf Wellen ohne Störkonturen verwendet werden, um diese gegen eine Verschiebung in axialer Richtung der Welle zu sichern.
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Eine typische Störkontur von Ausführungsformen ist ein Abschnitt auf einer Welle, der aufgrund der Montage von Komponenten auf der Welle nicht mehr für die Montage einer als Ring ausgeführten Sicherung zugänglich ist. Eine aus mindestens zwei Ringsegmenten bestehende Sicherung kann den Vorteil bieten, an der Stelle oder dem Abschnitt auf der Welle montiert werden zu können, die für eine als Ring ausgeführte Sicherung nicht mehr zugänglich ist.
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Beispielsweise ist eine Störkontur axial in Richtung der Rotorachse bezüglich der Sicherung gegenüber den Permanentmagneten angeordnet.
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Eine Störkontur ist beispielsweise eine Wellenkontur, durch deren Durchmesser das Aufstecken einer als Ring oder einteilig ausgeführten axialen Sicherung unmöglich wird. Beispiele hierfür sind Elemente auf einer Welle, die axial per Anschlag positioniert werden oder durch eine Sicherung axial in Richtung der Welle gegen ein Verschieben gesichert werden sollen und typischerweise in einer Vertiefung auf der Welle liegen. In einer typischen Ausführungsform ist der Durchmesser der Elemente kleiner als ein Durchmesser eines Wellenlagers. Beispielsweise ist der Durchmesser der Elemente kleiner als der Wellendurchmesser an den Enden der Welle. Typischerweise ist der Durchmesser der Elemente kleiner als der Durchmesser von mindestens zwei Wellenkonturen, die auf beiden Seiten der Stelle oder des Abschnitts auf der Welle in axialer Richtung liegen, an der das Element positioniert oder gesichert werden soll. Unter Elementen können hierin beispielsweise verstanden werden: Anschlagsringelemente, Permanentmagnete, Wellenmuttern oder Lager.
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Eine typische Störkontur ist eine Ausfräsung auf der Welle zum Einbringen der Magnete. Dadurch werden die Seiten der Ausfräsung zu Störkonturen. Das Sichern der Magnete durch eine einteilige Sicherung ist bei Einfräsungen erschwert.
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In einer typischen Ausführungsform der Erfindung werden Magnete in axialen Nuten formschlüssig aufgenommen. Bei Ausführungsformen werden die Magnete zur Fixierung an den Rotor geklebt. Magnete sind bei typischen Ausführungsformen sowohl formschlüssig als auch geklebt an dem Rotor fixiert.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung dient die Sicherung als Ablagefläche für eine Bandage. Eine Bandage wird bei Ausführungsformen zur Sicherung der Permanentmagnete verwendet. Beispielsweise wird eine Bandage nach Montage der Sicherung aufgewickelt oder es wird eine Bandage als Hülsen-Bandage aufgeschoben.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Sicherung eine Nut oder eine Kante oder allgemein eine Aufnahme auf, an welche eine Bandage anlegbar ist oder angelegt ist. Bei typischen Rotoren mit einer Hülsen-Bandage wird bei einigen Ausführungsformen kein Anschlag vorgesehen.
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Typischerweise weist die Motorwelle zwei Abschnitte mit Permanentmagneten auf, welche jeweils beidseitig durch Sicherungen gegen axiale Bewegungen gesichert sind. Bei Ausführungsformen sind mehr als zwei Abschnitte mit Permanentmagneten auf einer Motorwelle vorgesehen, wobei die Abschnitte jeweils beidseitig gegen Verschieben oder Bewegungen in axialer Richtung der Motorwelle gesichert sind.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Ringsegmente der Sicherung jeweils eine Klemmfunktion oder eine Anschlagsfunktion auf. Die Ringsegmente sind typischerweise so gestaltet, dass sie sowohl eine Anschlagsfunktion als auch eine Klemmfunktion aufweisen.
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Bei Ausführungsformen sind die Ringsegmente gestaltet, so dass sie entweder eine Anschlagsfunktion oder eine Klemmfunktion aufweisen, d.h. es existieren typischerweise mindestens zwei Typen von Ringsegmenten bei diesen Ausführungsformen. Dabei bezieht sich die Anschlagsfunktion beispielsweise auf eine Richtung, die einer axialen Richtung der Motorwelle entspricht. Die Klemmfunktion bezieht sich beispielsweise auf eine axiale Richtung der Motorwelle. Typischerweise ist die Anzahl der zwei Typen von Ringsegmenten identisch. In einer typischen Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der zwei Typen von Ringsegmenten unterschiedlich, d.h. dass typischerweise mehr Klemmringsegmente als Anschlagringsegmente oder dass typischerweise mehr Anschlagringsegmente als Klemmringsegmente als Sicherung verwendet werden.
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Typischerweise sind die Stöße der Anschlagsringsegmente und der Klemmringsegmente gegeneinander um einen Umfangswinkel bezüglich einer Achse der Welle verdreht montiert. Beispielsweise werden die Stöße bei jeweils zwei Anschlagsringsegmenten und zwei Klemmringsegmenten gegeneinander zumindest im Wesentlichen um 90° verdreht. Die Stöße zwischen den Anschlagsringsegmenten und die Stöße zwischen den Klemmringsegmenten sind typischerweise um einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 90° bezogen auf die Umfangsrichtung der Welle verdreht. Typischerweise ist der Winkel zwischen den Stößen der Klemmringsegmente und den Stößen der Anschlagringsegmente bezüglich einer Achse der Welle um zumindest im Wesentlichen 360°/(2 × (Anzahl der Anschlagringsegmente oder Klemmringsegmente)) verdreht oder typischerweise höchstens um 360°/(2 × (Anzahl der Anschlagringsegmente oder Klemmringsegmente)) verdreht oder typischerweise um mindestens 360°/(2 x (Anzahl der Anschlagringsegmente oder Klemmringsegmente)) verdreht.
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Beispielsweise sind die Stöße der Anschlagsringsegmente und der Klemmringsegmente so gegeneinander um die Achse der Welle verdreht, dass die Stöße der Klemm- und Anschlagsringsegmente nicht aufeinander fallen, bzw. nebeneinander liegen. Typischerweise sind die Stöße um mindestens 5°, mindestens 10° oder mindestens 20° oder höchstens 90° bezüglich der Achse der Welle verdreht.. Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung liegen die Stöße der Klemmringsegmente und der Anschlagringsegmente nebeneinander, bzw. fallen zumindest im Wesentlichen aufeinander.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung decken die Klemmringsegmente einen kleineren Teil des Vollumfangs der Welle ab als die Anschlagringsegmente. Beispielsweise sind die Klemmringsegmente so montiert, dass sie eine Klemmfunktion auf nur ein Anschlagringsegment ausüben, oder dass sie den Stoß zwischen zwei Anschlagringsegmenten überbrücken und eine Klemmfunktion auf zwei Anschlagringsegmente ausüben. Die Anschlagringsegmente sind bei typischen Ausführungsformen kleiner als die Klemmringsegmente. Typische Klemmringsegmente verklemmen ein Anschlagsringsegment, weitere typische Klemmringsegmente verklemmen zwei oder mehr Anschlagringsegmente.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung wird die Sicherung montiert oder selbst gesichert, indem sie radial verschraubt wird. Typischerweise werden Sicherungen von Ausführungsformen auf der Welle axial oder tangential über die Stöße der Ringsegmente hinweg verschraubt. Allgemein Verschraubungen oder mehrfache Verschraubungen sind bei Ausführungsformen möglich aber nicht zwingend.
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Vorteil einer radialen Verschraubung der Sicherung ist, dass diese auf Wellen - beispielsweise Hohlwellen - platzsparend montiert werden können.
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Typischerweise umfasst der Rotor zwei oder mindestens zwei Aktivteile. Ein Aktivteil ist ein unabhängiger Abschnitt einer Anordnung von Permanentmagneten auf der Oberfläche einer Welle in Umfangsrichtung, die einen in axialer Richtung gesehen Abschnitt besetzt. Zwei Aktivteile erlauben einen redundanten Betrieb des Rotors bei Funktionsbeeinträchtigungen von außen. Zwei Aktivteile können die Verfügbarkeit des Antriebs weiter erhöhen. Typische Ausführungsformen der Erfindung weisen genau einen oder mindestens einen Aktivteil mit Permanentmagneten auf der Welle auf. Ein Aktivteil kann auch als Aktivabschnitt bezeichnet werden, in welchem Magnete montiert sind.
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Typischerweise ist eine elektrische Maschine, die einen oben beschriebenen Rotor verwendet, ein Permanentmagnet-erregter Synchronmotor. Weitere Beispiele von elektrischen Maschinen von Ausführungsformen umfassen Außenläufermaschinen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 einen Rotor im Längsschnitt mit zwei Aktiv-Abschnitten, Bandagen, montierten Klemm- und Anschlagsringsegmenten, sowie Magneten und Störkonturen.
- 2 einen Rotor in einer Frontansicht mit zur Montage vorbereiteten Klemm- und Anschlagsringsegmenten, die radial montiert werden sollen.
- 3 einen Rotor in einer Übersichts-Explosionszeichnung mit zwei Aktivteilen und den jeweiligen Sicherungen der Permanentmagnete mit einer als Ringsegmente ausgeführten Sicherung.
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Beschreibung der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden typische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei für gleiche oder ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und nicht mit jeder Figur nochmals erläutert werden. Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen typischen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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In der 1 ist ein schematischer Längsschnitt der Motorwelle 3 mit zwei Aktivteilen gezeigt, die jeweils Magnete 6 aufweisen. Die Permanentmagnete 6 werden durch Anschlagringsegmente 1 und Klemmringsegmente 2 axial auf der Welle 3 positioniert und gegen Verschiebung in axialer Richtung der Motorwelle 3 gesichert.
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Die Klemmringsegmente 2, die jeweils auf beiden Seiten der Permanentmagnete positioniert sind, werden in der dargestellten Ausführungsform radial mit der Welle 3 mittels einer Verschraubung 7 befestigt.
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Bei weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verschraubung in einer axialen oder tangentialen Ausrichtung.
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Die Permanentmagnete sind zusätzlich mit einer Bandage 4 gegen radiale Kräfte gesichert. Die Bandagen 4 liegen auf den Anschlagringsegmenten 1 auf.
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Weitere typische Ausführungsformen weisen zwei Anschlagringsegmente und nur ein Klemmringsegment zwischen zwei Aktivteilen auf.
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Typischerweise werden die Permanentmagnete auf der Welle verklebt. Typische Ausführungsformen weisen, zusätzlich oder ausschließlich, einen Formschluss zwischen der Welle und den Permanentmagneten auf. Die genannten Montagearten verhindern ein Loslösen der Magnete von der Welle.
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Typischerweise werden Bandagen verwendet, die bei Ausführungsformen beispielsweise wie oben beschrieben als Hülsen auf die Permanentmagnete aufgeschoben werden oder Bandagen, die über die Permanentmagnete gewickelt werden.
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Die Motorwelle 3 weist Störkonturen 5 auf, die jeweils einen axialen Anschlag für ein Wellenlager darstellt. Bei weiteren Ausführungsformen stellt die Störkontur eine Struktur zur Montage eines Lagegebers dar.
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In der 2 ist eine schematische Ansicht einer Motorwelle 3 gezeigt. Die Motorwelle 3 des in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist als Hohlwelle ausgeführt.
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Das Ausführungsbeispiel, welches in der 2 gezeigt ist, weist eine Sicherung auf, welche Klemmringsegmente 2 und Anschlagringsegmente 1 umfasst. Die Stöße der Klemmringsegmente 2 und der Anschlagringsegmente 1 sind um 90° um die Wellenachse verdreht zueinander angeordnet. Die Anschlagringsegmente 1 weisen in dieser Ausführungsform eine Kontur für das Anlegen einer Bandage (nicht in der 2 gezeigt) auf.
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In 3 werden die gleichen Aspekte wie in den zuvor beschriebenen Figuren in einer schematischen Explosionsansicht gezeigt. Das Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, weist zwei unabhängige Aktivteile auf, die jeweils von beiden Seiten mit je einem Klemmringsegment 2 und einem Anschlagringsegment 1 gesichert werden.
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Die Stöße der Anschlagringsegmente 1 und der Klemmringsegmente 2 sind dabei um 90° um die Achse der Welle 3 zueinander verdreht angeordnet.
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Die in 3 gezeigt beispielhafte Ausführungsform weist eine als Hohlwelle ausgeführte Motorwelle 3 auf. Die Klemmringsegmente 2 der in 3 gezeigten Ausführungsform weisen Bohrungen für eine radiale Verschraubung mit der Motorwelle 3 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anschlagringsegment
- 2
- Klemmringsegment
- 3
- Motorwelle
- 4
- Bandage
- 5
- Störkontur
- 6
- Magnete (Permanentmagnete)
- 7
- Verschraubung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013020360 A1 [0003]
