DE102019103920A1

DE102019103920A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Elektromotor sowie Rotor für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102019103920A1
Application number: DE102019103920.7A
Authority: DE
Inventors: Dimitri Ostrohov; Roland Stössel; Manuel Merkle; Thomas Neuß; Andre Bühling; David Pfeufer; Elmar Kuhn
Original assignee: FTE Automotive GmbH
Current assignee: Valeo Powertrain GmbH
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere becherförmigen Rotors (10) für einen Elektromotor, bei dem eine Spritzgussform (20) bereitgestellt wird, die eine Kavität aufweist, mehrere der Kavität zugeordnete magnetische Polpaare sowie mehrere Angußöffnungen, wobei die Angußöffnungen entsprechend der Teilung der magnetischen Polpaare angeordnet sind. In die Kavität wird ein Kunststoffmaterial eingespritzt, das mit Magnetpulver versehen ist, durch alle Angußöffnungen gleichzeitig in die Kavität eingespritzt. Die Erfindung betrifft auch einen Rotor (10) für einen Elektromotor, der aus einem spritzgegossenen Verbundmaterial aus Kunststoff und Magnetpulver besteht, in das eine Rotorwelle (16) eingebettet ist, wobei die als Folge von Fließfronten (F) des Kunststoffmaterials entstandenen Schweißlinien im Wesentlichen mit Nulldurchgängen des Magnetfeldes des Rotors (10) zusammenfallen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines becherförmigen Rotors für einen Elektromotor, wobei der Rotor aus Kunststoffmaterial besteht, das mit Magnetpulver versehen ist.
Es ist bekannt, dass ein solches Material in eine Spritzgussform eingebracht werden kann, wobei während des Spritzgießens ein Magnetfeld angelegt wird. Entsprechend dieses äußeren Magnetfelds richten sich die Partikel des Magnetpulvers aus, sodass das ausgehärtete Material selbst magnetisiert ist, als ob in es Magnete eingespritzt wären.
Ein Beispiel für einen solchen Rotor und einen Elektromotor, der diesen Rotor verwendet, findet sich in der EP 3 179 106 A1 .
Es hat sich herausgestellt, dass das von den Partikeln des Magnetpulvers erzeugte Magnetfeld des Rotors nicht so gleichmäßig verläuft wie gewünscht. Wenn das Magnetfeld in Umfangsrichtung um den Rotor herum aufgezeichnet wird, müsste die magnetische Flussdichte in der Theorie einen sinusförmigen Verlauf haben. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass an einigen Stellen entlang des Umfangs merkliche Abweichungen hiervon vorhanden sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Rotors zu schaffen, bei dem die magnetische Flussdichte des Rotors weniger Abweichungen von dem theoretisch optimalen Verlauf hat.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere becherförmigen Rotors für einen Elektromotor mittels der folgenden Schritte vorgesehen: Es wird eine Spritzgussform bereitgestellt, die eine Kavität aufweist, mehrere der Kavität zugeordnete magnetische Polpaare sowie mehrere Angussöffnungen, wobei die Angussöffnungen entsprechend der Teilung der magnetischen Polpaare angeordnet sind, und es wird ein Kunststoffmaterial, das mit Magnetpulver versehen ist, durch alle Angussöffnungen gleichzeitig in die Kavität eingespritzt. Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß auch ein Rotor für einen Elektromotor vorgesehen, der aus einem spritzgegossenen Verbundmaterial aus Kunststoff und Magnetpulver besteht, in das eine Rotorwelle eingebettet ist, wobei die als Folge von Fließfronten des Kunststoffmaterials entstandenen Schweißlinien (auch als Bindenähte bezeichnet) im Wesentlichen mit Nulldurchgängen des Magnetfelds des Rotors zusammenfallen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Abweichungen des Magnetfeldes des Rotors von der theoretischen magnetischen Flussdichte darauf zurückzuführen waren, dass die Angussöffnungen nicht relativ zu den magnetischen Polpaaren der Spritzgussform „ausgerichtet“ waren. Im Bereich der Schweißlinien, die sich beim Zusammentreffen von Fließfronten bilden, ist das Magnetpulver nicht so homogen verteilt und vorhanden wie im Kunststoffmaterial in den übrigen Bereichen des Rotors. Dies führt zu Variationen des Magnetfeldes. Wenn nun erfindungsgemäß, durch geeignete Ausrichtung der Angussöffnungen, die Fließfronten geeignet relativ zu den magnetischen Polpaaren ausgerichtet werden, entstehen auch Schweißlinien, die relativ zu den magnetischen Polpaaren ausgerichtet sind. Hierdurch können die nach wie vor unvermeidlichen Variationen des Anteils der Partikel des Magnetpulvers im Material des Rotors in solche Bereiche gelegt werden, die wenig oder keine Auswirkungen auf das vom Rotor erzeugte Magnetfeld haben. Beispielsweise können die Variationen so gelegt werden, dass sie symmetrisch angeordnet sind und sich dadurch gegenseitig aufheben, und/oder sie können in Bereiche der Nulldurchgänge der magnetischen Flussdichte (oder zumindest in die Nähe de Nulldurchgänge) gelegt werden, sodass sie keine Auswirkung haben.
Die Anzahl der Angussöffnungen kann zur Anzahl der magnetischen Polpaare im Verhältnis von 1:1 stehen, sodass bei beispielsweise fünf Polpaaren fünf Angussöffnungen vorhanden sind und damit auch fünf Schweißlinien entstehen, die durch zusammentreffende Fließfronten gebildet sind. Es ist auch denkbar, eine höhere Anzahl von Angussöffnungen zu verwenden, beispielsweise doppelt so viele Angussöffnungen wie Polpaare. In diesem Fall würde sich eine Schweißlinie durch zusammentreffende Fließfronten zwischen allen Nord- und Südpolen ergeben.
Vorzugsweise wird das Kunststoffmaterial den Angussöffnungen durch mehrere Angusskanäle zugeführt, die alle dieselbe Länge haben. Dies gewährleistet, dass die Kavität gleichmäßig befüllt wird und damit die Schweißlinien an den Stellen entstehen, an denen sie im Hinblick auf die magnetischen Feldlinien gewünscht sind.
Der Rotor kann grundsätzlich für die unterschiedlichsten Elektromotoren verwendet werden. Besonders geeignet ist der Rotor für eine Getriebe-Schmiermittelpumpe, wie sie im oben genannten Stand der Technik gezeigt ist, oder als Rotor für eine Kreiselpumpe, wie sie aus der DE 10 2013 017 976 A1 bekannt ist. In diesem Fall ist der Rotor vorzugsweise auf seiner Außenseite mit Pumpenflügeln versehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:

- 1 in einem Querschnitt einen erfindungsgemäßen Rotor;
- 2 schematisch eine Draufsicht auf eine geöffnete Spritzgussform mit Rotor;
- 3 den Verlauf des Magnetfeldes entlang des Umfangs des Rotors;
- 4 schematisch den Rotor mit den Angusspunkten;
- 5 schematisch den Rotor und die Angusskanäle;
- 6 in einer Simulation die Front des eingespritzten Kunststoffmaterials bei der Herstellung des Rotors kurz nach Beginn des Einspritzschrittes;
- 7 eine Simulation entsprechend derjenigen von 6, wobei mehr Kunststoffmaterial in die Kavität eingespritzt ist.

In 1 ist ein becherförmiger Rotor 10 zu sehen, der einen Boden 12 und eine Umfangswand 14 aufweist. Es handelt sich um ein in einem Stück hergestelltes Kunststoff-Spritzgussteil.
In den Boden 12 ist eine Rotorwelle 16 eingespritzt.
Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, ist der Boden 12 mit mehreren Durchgangsöffnungen 18 versehen, die das innerhalb der Umfangswand 14 angeordnete Volumen mit der Außenseite des Rotors 10 verbinden.
Der Rotor 10 besteht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, das als Matrixmaterial für Magnetpulver dient. Dieses Material wird in eine Spritzgussform 20 eingespritzt, die schematisch in 2 angedeutet ist.
Der Spritzgussform 20 sind mehrere Magnete zugeordnet. Es handelt sich hier um Permanentmagnete. Denkbar ist auch, Elektromagnete zu verwenden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind fünf magnetische Polpaare vorgesehen, sodass fünf Nordpole und fünf Südpole zu sehen sind, die einander entlang des Umfangs abwechseln.
Wenn das Spritzgussmaterial in die Spritzgussform 20 eingespritzt wird, ordnen sich die Partikel des Magnetpulvers entsprechend dem Magnetfeld an, das durch die Magnete mit den Polen N₁ bis S₁₀ der Spritzgussform 20 erzeugt wird. Dadurch ist der Rotor 10 selbst magnetisiert, sodass entlang seines Umfangs das in 3 gezeigte Magnetfeld erzeugt wird.
In 4 ist schematisch der Rotor 10 mit mehreren Angusspunkten 22 zu sehen. Es werden hier so viele Angusspunkte 22 verwendet wie magnetische Polpaare in der Spritzgussform 20 und auch im Rotor vorhanden sind. Dabei sind die Angusspunkte (und damit auch die Angussöffnungen der Spritzgussform 20) so relativ zu den Polpaaren der Spritzgussform 20 ausgerichtet, dass sie auf einem Radius liegt, der mittig zwischen den Radien liegt, die zu benachbarten Polen führen. Anders ausgedrückt: Die Angussöffnungen liegen auf der Winkelhalbierenden des Winkels, der von zwei benachbarten Polen definiert ist, bezogen auf die Rotorachse. In 2 ist dieser Winkel α beispielhaft für die Pole N₁ und S₂ und dem mittig dazwischen angeordneten Angusspunkt 22 dargestellt.
Die Angussöffnungen der Spritzgussform 20 werden über Angusskanäle 24 mit Spritzgussmaterial versorgt, wobei die Angusskanäle 24 alle dieselbe Länge haben (siehe 5).
In 6 ist die Fließfront des in die Kavität der Spritzgussform 20 eingespritzten Kunststoffmaterials zu Beginn des Einspritzvorgangs gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Fließfronten sich entlang von fünf Linien treffen, von denen hier eine Linie F beispielhaft eingezeichnet ist. Die Fließfronten fallen hier mit der Ausrichtung von Kernen zusammen, mit denen die Durchgangsöffnungen 18 erzeugt werden. Dabei liegen die Fließfronten mittig zwischen den Angussöffnungen und damit ebenso wie die Angussöffnungen auf einer Linie zwischen benachbarten Magnetpolen.
In 7 sind die Fließfronten zu einem Zeitpunkt zu sehen, in dem so viel Kunststoffmaterial in die Spritzgussform 20 eingespritzt ist, dass der Boden 12 des Rotors beinahe vollständig gebildet ist. Hier sind mit durchgezogenen Linien die Ausrichtungen der Schweißlinien angedeutet, die sich durch Zusammentreffen der Fließfronten ergeben.
Durch Vergleich mit den 2 und 3 ist zu sehen, dass die Schweißlinien mit einem Nulldurchgang des Magnetfeldes des Rotors zusammenfallen. Konkret liegen die Schweißlinien, bezogen auf die Darstellung in 3, bei 0°, 72°, 144°, 216° und 288°. Da die Schweißlinien dort liegen, wo ein Polwechsel von Nord auf Süd stattfindet (oder: die magnetische Flussdichte minimal ist), hat die mit den Schweißlinien einhergehende Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Partikel des Magnetpulvers im Material des Rotors nur eine minimale oder gar keine Auswirkung auf das Magnetfeld, das vom Rotor erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3179106 A1 [0003]
DE 102013017976 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines insbesondere becherförmigen Rotors (10) für einen Elektromotor mittels der folgenden Schritte: - es wird eine Spritzgussform (20) bereitgestellt, die eine Kavität aufweist, mehrere der Kavität zugeordnete magnetische Polpaare sowie mehrere Angußöffnungen, wobei die Angußöffnungen entsprechend der Teilung der magnetischen Polpaare angeordnet sind, - es wird ein Kunststoffmaterial, das mit Magnetpulver versehen ist, durch alle Angußöffnungen gleichzeitig in die Kavität eingespritzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Angußöffnungen zur Anzahl der magnetischen Polpaare im Verhältnis von 1:1 steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Angußöffnungen zur Anzahl der magnetischen Polpaare im Verhältnis von 2:1 steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial den Angußöffnungen durch mehrere Angußkanäle zugeführt wird, die alle dieselbe Länge haben.
Rotor (10) für einen Elektromotor, der aus einem spritzgegossenen Verbundmaterial aus Kunststoff und Magnetpulver besteht, in das eine Rotorwelle (16) eingebettet ist, insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die als Folge von Fließfronten des Kunststoffmaterials entstandenen Schweißlinien (F) im Wesentlichen mit Nulldurchgängen des Magnetfeldes des Rotors (10) zusammenfallen.
Fluidpumpe, insbesondere Getriebe-Schmiermittelpumpe, mit einem Elektromotor, der einen Stator sowie einen Rotor (10) nach Anspruch 5 aufweist.