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Die Erfindung betrifft eine Magnetträgereinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung der Magnetträgereinheit. Die Magnetträgereinheit kann als Stator oder als Läufer einer Magnetkopplung verwendet werden. Die Magnetträgereinheit kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Stator und ein Läufer relativ zueinander bewegbar und magnetisch miteinander gekoppelt sind, beispielsweise in Hysteresekupplungen, elektrischen Maschinen, Energiewandlern, usw. Die Relativbewegung kann eine translatorische Bewegung oder rotatorische Bewegung sein in eine Bewegungsrichtung. Somit kann die Bewegungsrichtung eine lineare Bewegungsrichtung oder eine Drehrichtung um eine Drehachse sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufbau und die Herstellung einer Magnetträgereinheit zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Magnetträgereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Magnetträgereinheit kann als Stator oder als Läufer verwendet werden. Stator und Läufer sind in einer Bewegungsrichtung relativ zueinander bewegbar und magnetisch miteinander gekoppelt. Hierzu weist die Magnetträgereinheit eine Mehrzahl von in Bewegungsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten Permanentmagneten auf, die vorzugsweise in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
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Die Magnetträgereinheit hat einen Außenkörper aus einem magnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise Eisen oder einer Eisenlegierung. Der Außenkörper hat in Bewegungsrichtung mit Abstand zueinander angeordnete Aufnahmetaschen. Jede Aufnahmetasche ist dazu eingerichtet, einen Permanentmagneten aufzunehmen. Der Permanentmagnet ist formschlüssig in der Aufnahmetasche gehalten und insbesondere ohne zusätzliche Haftvermittlung oder stoffschlüssige Verbindung ausschließlich durch das Einsetzen in die Aufnahmetasche befestigt. Zusätzliche separate Klemm- oder Haltemittel sind insbesondere nicht vorhanden.
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Die Magnetträgereinheit hat außerdem einen Innenkörper aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung. Der Innenkörper ist mit dem Außenkörper verbunden, vorzugsweise unmittelbar verbunden. Die Verbindung kann eine formschlüssige Verbindung sein, die bevorzugt schraubenlos hergestellt werden kann. Der Innenkörper und der Außenkörper sind bevorzugt ausschließlich formschlüssig verbunden. Insbesondere ist zur Verbindung zwischen dem Innenkörper und dem Au-ßenkörper keine Haftvermittlung oder stoffschlüssige Verbindung vorgesehen.
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Eine derartige Magnetträgereinheit lässt sich besonders einfach und effizient herstellen. Insbesondere kann auf nachteilige Haftvermittlungsverbindungen bzw. Klebeverbindungen der Permanentmagnete verzichtet werden. Die formschlüssige Befestigung der Permanentmagnete ermöglicht gegenüber einer Haftvermittlungsverbindung eine höhere thermische Belastbarkeit und eine höhere chemische Beständigkeit. Außerdem sind die formschlüssigen Befestigungen sofort nach der Herstellung der Magnetträgereinheit belastbar, ohne dass ein Aushärten eines Haftstoffes erforderlich wäre. Schließlich sind die in die Aufnahmetaschen eingesetzten Permanentmagnete gut vor äußeren Einwirkungen geschützt, insbesondere auch vor mechanischen Einwirkungen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Aufnahmetaschen an einer Seite unmittelbar durch den Innenkörper begrenzt werden. Mit Blick in eine Querrichtung rechtwinklig zur Bewegungsrichtung, also beispielsweise mit Blick parallel zu einer Drehachse, begrenzt der Außenkörper die Aufnahmetaschen an drei Seiten und der Innenkörper begrenzt die Aufnahmetasche an einer vierten Seite. In Querrichtung sind die Aufnahmetaschen an beiden entgegengesetzten Enden vorzugsweise offen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Kontur der Aufnahmetasche mit der Kontur der Permanentmagnete übereinstimmt.
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Vorzugsweise haben die Aufnahmetaschen und die Permanentmagnete einen sich vom Innenkörper weg verjüngenden Querschnitt. Beispielsweise kann sich der Querschnitt von einer Drehachse radial nach außen verjüngen. Vorzugsweise können die Aufnahmetaschen und die Permanentmagnete einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Innenkörper und der Außenkörper unmittelbar formschlüssig ineinandergreifend verbunden sind. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise schraubenlos. Die Verbindung zwischen dem Innenkörper und dem Außenkörper ist insbesondere ohne zusätzliche Haftvermittlung bewirkt. Separate Verbindungsmittel können entfallen. Auch eine stoffschlüssige Verbindung ist vorzugsweise nicht vorhanden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Innenkörper zum Außenkörper hin offene Vertiefungen auf, die in Bewegungsrichtung mit Abstand zueinander angeordnet sind. In jede Vertiefung kann ein zugeordneter Vorsprung des Außenkörpers eingreifen. In Querrichtung betrachtet können die Vertiefungen einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, der sich vom Außenkörper weg verjüngt. Die Kontur der Vorsprünge kann der Kontur der Vertiefungen entsprechen. Es kann ein verzahnungsähnlicher Eingriff zwischen dem Außenkörper und dem Innenkörper hergestellt werden.
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Die formschlüssige Verbindung verhindert zumindest eine Relativbewegung des Außenkörpers gegenüber dem Innenkörper in Bewegungsrichtung. Die Kontur der formschlüssigen Verbindung kann verschieden gewählt wird. Beispielsweise kann sich der Vorsprung auch zum Innenkörper hin erweitern, z.B. nach Art eines Schwalbenschwanzes oder eines Puzzleteils oder auf andere Weise. Mittels derartiger Verbindungen kann auch ein Formschluss rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung erreicht werden, beispielsweise radial zu einer Drehachse.
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Es ist bevorzugt, wenn jeweils eine und insbesondere genau eine Vertiefung und jeweils ein zugeordneter Vorsprung in Bewegungsrichtung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Aufnahmetaschen angeordnet sind. Dadurch entsteht eine besonders hohe Belastbarkeit der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Innenkörper und dem Außenkörper.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Außenkörper an einer dem Innenkörper entgegengesetzten Außenseite eine Wandstärke aufweist, die kleiner ist als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und bei einem Ausführungsbeispiel 0,4 mm betragen kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Innenkörper und/oder der Außenkörper jeweils aus mehreren Lagen aufgebaut. Die Lagen können in Querrichtung gestapelt sein. Beispielsweise kann der Innenkörper aus mehreren Innenringen und der Außenkörper aus mehreren Außenringen aufgebaut sein, wenn die Magnetträgereinheit für eine rotatorische Anwendung verwendet wird. Bei translatorischen Anwendungen können sich in Bewegungsrichtung erstreckende Lagen in Form von ebenen Blechen oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise können für den Innenkörper Aluminiumbleche verwendet werden und für den Außenkörper Eisenbleche.
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Um die einzelnen Lagen beim Aufeinanderlegen korrekt auszurichten, können in jeder Lage des Außenkörpers und/oder des Innenkörpers eine oder mehrere Ausrichtöffnungen vorhanden sein, die jeweils mit den zugeordneten Ausrichtöffnungen der anderen Lagen fluchtet. Dadurch wird der Aufbau des Außenkörpers und des Innenkörpers bei der Herstellung der Magnetträgereinheit vereinfacht.
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Zur Herstellung der Magnetträgereinheit wird wie folgt vorgegangen:
- Zunächst wird ein Außenkörper aus magnetisierbarem Werkstoff und ein Innenkörper aus nicht magnetisierbarem Werkstoff bereitgestellt. Der Außenkörper weist Aufnahmetaschen für jeweils einen Permanentmagneten auf. Der Innenkörper und Außenkörper werden formschlüssig miteinander verbunden, insbesondere schraubenlos und/oder ohne Haftverbindung oder stoffschlüssige Verbindung. Die Permanentmagnete werden in die Aufnahmetaschen eingesetzt und darin formschlüssig gehalten. Eine Haftverbindung oder stoffschlüssige Verbindung ist weder zwischen den Permanentmagneten und dem Außenkörper noch zwischen den Permanentmagneten und dem Innenkörper vorhanden.
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Bevorzugt wird der Außenkörper hergestellt, indem eine Mehrzahl von Lagen, beispielsweise Außenringe, bereitgestellt und in jede Lage eine Aussparung eingebracht wird. Das Einbringen der Aussparungen kann durch bekannte Trennverfahren erfolgen, wie beispielsweise durch Laserschneiden, Fluidstrahlschneiden (z.B. Wasserstrahlschneiden), Nibbeln, Stanzen oder dergleichen. Die Aussparungen der einzelnen Lagen fluchten und bilden die Aufnahmetaschen des Außenkörpers.
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Analog dazu kann auch der Innenkörper aus mehreren Lagen, beispielsweise Innenringe, hergestellt werden. Die bereitgestellten Lagen können optional zunächst durch ein Trennverfahren bearbeitet werden, wie es im Zusammenhang mit dem Außenkörper bereits geschildert wurde. Beispielsweise können dabei Einschnitte eingebracht werden, die bei fluchtender Ausrichtung der Lagen die Vertiefungen zum formschlüssigen Verbinden mit dem Außenkörper bilden.
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Jeweils eine Lage des Außenkörpers und des Innenkörpers werden verbunden, insbesondere formschlüssig, um eine Relativbewegung in Bewegungs- bzw. Umfangsrichtung zu verhindern. Zur Bildung des Außenkörpers und des Innenkörpers werden die derart verbundenen Lagen aufeinandergelegt, so dass die Aussparungen fluchten und die Aufnahmetaschen des Außenkörpers bilden. Das Laserschneiden zur Bildung der Einschnitte hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil der konusförmige Laserstrahl beim Herstellen der Aussparungen systembedingt eine geringfügige Einführschräge erzeugt, die das Einsetzen Vorsprünge vereinfacht.
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Bevorzugt sind die einzelnen Lagen durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zur Bildung des Außenkörpers und/oder des Innenkörpers miteinander verbunden, beispielsweise durch eine Schraubverbindung. Zusätzlich oder alternativ können die einzelnen Lagen auch durch eine beliebige andere Verbindungsart miteinander verbunden werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Magnetträgereinheit,
- 2 eine vergrößerte perspektivische Teildarstellung einer Lage eines Außenkörpers und eines Innenkörpers der Magnetträgereinheit aus 1,
- 3 die Lage des Außenkörpers und die Lage des Innenkörpers aus 2 mit den eingesetzten Permanentmagneten der Magnetträgereinheit aus 1 und
- 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels zur Herstellung einer Magnetträgereinheit.
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Magnetträgereinheit 10, die als Stator oder Rotor verwendbar ist, wobei der Stator und der Rotor relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung B bewegbar und magnetisch miteinander gekoppelt sind. Beim Ausführungsbeispiel ist die Magnetträgereinheit 10 kreisringförmig um eine Drehachse D ausgebildet, wodurch die Bewegungsrichtung B durch die Umfangsrichtung um die Drehachse D gebildet ist. Diese Ausgestaltung eignet sich für rotatorisch angetriebene Anwendungen. Alternativ zum veranschaulichten Ausführungsbeispiel könnte die Magnetträgereinheit 10 auch als sich entlang einer linearen Bewegungsrichtung B erstreckende Magnetträgereinheit ausgebildet sein.
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Die Magnetträgereinheit 10 weist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 11 auf. Die Permanentmagnete sind in Bewegungsrichtung B regelmäßig mit jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Permanentmagnete 11 sind beispielsgemäß regelmäßig verteilt in Umfangsrichtung um die Drehachse D angeordnet.
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Jeder Permanentmagnet 11 ist durch einen prismatischen Körper gebildet. Mit Blick in Querrichtung parallel zur Drehachse D hat jeder Permanentmagnet 11 eine trapezförmige Kontur (Querschnittsform).
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Zur Lagerung der Permanentmagnete 11 hat die Magnetträgereinheit 10 einen Außenkörper 12 und einen Innenkörper 13. Beispielsgemäß sind der Außenkörper 12 und der Innenkörper 13 ringförmig und erstrecken sich koaxial zur Drehachse D.
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Der Innenkörper 13 besteht aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Außenkörper 12 besteht aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise Eisen oder einer Eisenlegierung.
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Der Außenkörper 12 und der Innenkörper 13 sind beispielsgemäß durch jeweils mehrere Lagen 14 gebildet. Die Lagen 14 sind in Querrichtung parallel zur Drehachse D aufeinander gelegt. Jede Lage 14 des Außenkörpers 12 ist beispielsgemäß durch einen Außenring 15 gebildet, während jede Lage 14 des Innenkörpers 13 jeweils durch einen Innenring 16 gebildet ist. Alle Außenringe 15 haben dieselbe Kontur. Alle Innenringe 16 haben ebenfalls dieselbe Kontur.
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In jedem der Außenringe 15 ist eine Aussparung 17 eingebracht (2). Die in Querrichtung parallel zur Drehachse D miteinander fluchtenden Aussparungen 17 der Außenringe 15 bilden jeweils eine Aufnahmetasche 18 des Außenkörpers 12. Jede Aufnahmetasche 18 ist zur Aufnahme eines einzigen Permanentmagneten 11 eingerichtet. Die Kontur der Aufnahmetasche 18 entspricht der Außenkontur der Permanentmagnete 11, so dass die Permanentmagnete 11 formschlüssig in die Aufnahmetaschen 18 eingesetzt werden können.
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Wie es insbesondere in 2 zu erkennen ist, sind die Aussparungen 17 im Außenring 15 zur Drehachse D bzw. zum Innenring 16 bzw. Innenkörper 13 hin offen. Die Aufnahmetasche 18 ist somit an drei Seiten durch den Außenkörper 12 und an der radial innenliegenden Innenseite durch den Innenkörper 13 begrenzt. Dadurch wird der Magnetfluss der Permanentmagnete 11 in den Innenkörper vermieden bzw. stark reduziert. Das sich im Bereich des Innenkörpers 13 ausbildende Streufeld hat lediglich eine geringe Stärke.
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Der kleinste Abstand zweier in Bewegungsrichtung B unmittelbar benachbarter Aussparungen 17 bzw. Aufnahmetaschen 18 ist mit x gekennzeichnet.
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Zwischen zwei in Bewegungsrichtung B unmittelbar benachbarten Aufnahmetaschen 18 weist der Außenkörper 12 einen Bereich auf, der in Querrichtung parallel zur Drehachse D betrachtet eine im Wesentlichen dreieckförmige Kontur hat und sich zum Innenkörper 13 hin verjüngt. An seiner der Drehachse D bzw. dem Innenkörper 13 zugewandten inneren Ende bildet jeder dieser dreieckförmigen Bereiche einen Vorsprung 22. Jedem Vorsprung 22 ist eine am Innenkörper 13 vorhandene komplementäre Vertiefung 23 zugeordnet. Nach Art einer Zahnradverzahnung greifen die Vorsprünge 22 in die Vertiefungen 23 ein und stellen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Außenkörper 12 und dem Innenkörper 13 her. Bevorzugt wird auf zusätzliche Verbindungsmittel zwischen dem Außenkörper 12 und dem Innenkörper 13 verzichtet.
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An der von der Drehachse D abgewandten radial außenliegenden Außenseite ist angrenzend an die Aufnahmetasche ein Steg 25 des Außenkörpers 12 vorhanden. Am Steg 25 ist die Wandstärke w jedes Außenrings 15 und somit auch des Außenkörpers 12 klein und beispielsgemäß kleiner als 1 mm oder kleiner als 0,5 mm. Die Wandstärke w kann beispielsweise 0,4 mm betragen (siehe 2).
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Der Steg 25 dient hauptsächlich dazu, die mehreren einzelnen Lagen 14 zur Bildung des Außenkörpers 12 bei der Montage einfach handhaben zu können. Optional kann der Außenkörper 12 nach Verbinden mit dem Innenkörper 13 bearbeitet werden, beispielsweise durch Fräsen oder eine andere spanende Bearbeitung oder ein Trenn- bzw. Schneidverfahren, um die Stege 25 zu entfernen, so dass die Aufnahmetaschen auch an der Außenseite ganz oder teilweise offen sind. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Formschlüssige Verbindung zwischen dem Außenkörper 12 und dem Innenkörper 11 eine Fixierung rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung B gewährleistet, beispielsweise durch sich von der Außenseite weg erweiternde Vorsprünge 22, die in entsprechend sich zur Außenseite hin verjüngende Vertiefungen 23 eingreifen. An jeder dreieckförmig konturierten Element des Außenkörpers 12 zwischen zwei Aufnahmetaschen 18 ist dann wenigstens oder genau ein Vorsprung 22 vorhanden, der in eine zugeordnete Vertiefung 23 eingreift, um jedes Element des Außenkörpers 12 nach dem Entfernen der Stege 25 am Innenkörper 13 zu halten.
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Jede Vertiefung 23 im Innenkörper 13 kann durch miteinander fluchtende Einschnitte oder Ausnehmungen gebildet sein, die in jedem Innenring 16 vorhanden sind.
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Die Anzahl der Außenringe 15 und die Anzahl der Innenringe 16 ist insbesondere derart gewählt, dass die Dimension des Außenkörpers 12 und des Innenkörpers 13 in Querrichtung parallel zur Drehachse D der Dimension der Permanentmagnete 11 zumindest im Wesentlichen entspricht. Die beiden sich in Querrichtung parallel zur Drehachse D entgegengesetzten Stirnseiten der Permanentmagnete 11 können im Wesentlichen mit den Außenflächen des Außenkörpers 12 und des Innenkörpers 13 fluchten.
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Zwischen zwei in Bewegungsrichtung B unmittelbar benachbarten Vertiefungen 23 weist der Innenkörper einen Flächenabschnitt 24 auf, der sich parallel zu einer Ebene erstreckt. Jeder Flächenabschnitt 24 ist beim Ausführungsbeispiel tangential zur Bewegungsrichtung B bzw. zur Umfangsrichtung um die Drehachse D ausgerichtet.
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Der Flächenabschnitt 24 begrenzt die benachbarte Aufnahmetasche 18 an der radial innenliegenden Innenseite.
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Wie bereits erwähnt, sind in den 2 und 3 zur vereinfachten Darstellung des Außenkörpers 12 nur ein Außenring 15 und zur vereinfachten Darstellung des Innenkörpers 13 nur ein Innenring 16 veranschaulicht. Wie es 1 zeigt, sind der Außenkörper 12 durch mehrere aufeinanderliegende Außenringe 15 und der Innenkörper 13 durch mehrere aufeinanderliegende Innenringe 16 gebildet.
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Die Magnetträgereinheit 10, wie sie vorstehend anhand der 1-3 erläutert wurde, kann wie folgt hergestellt werden:
- In einem ersten Schritt 30 werden mehrere Außenringe 15 aus magnetisierbarem Material bereitgestellt. In diese Außenringe 15 werden die Aussparungen 17 eingebracht, deren Kontur der herzustellenden Aufnahmetasche 18 entspricht (zweiter Schritt 31).
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In einem optionalen dritten Schritt 32 können als Montagehilfe Ausrichtöffnungen in die Außenringe eingebracht werden, in die ein Ausrichtkörper eingesteckt werden kann, um das fluchtende Anordnen der Außenringe 15 zu vereinfachen.
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Zur Bildung des Innenkörpers 13 werden die Innenringe 16 aus nicht magnetisierbarem Material bereitgestellt (vierter Schritt 33). Beim Ausführungsbeispiel werden in die Innenringe 16 dann jeweils die Einschnitte eingebracht, die später die Vertiefungen 23 des Innenkörpers 13 bilden (fünfter Schritt 34). In diesem fünften Schritt 34 können optional auch Ausrichtöffnungen eingebracht werden, die das fluchtende Ausrichten mittels eines Ausrichtkörpers vereinfachen.
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In einem sechsten Schritt 35 werden jeweils einer der Außenringe 15 und einer der Innenringe 16 verbunden, insbesondere formschlüssig. Anschließend werden die miteinander verbundenen Ringe 15, 16 aufeinandergelegt und Bilden dadurch sowohl den Außenkörper 12 als auch den Innenkörper 13 In einem siebten Schritt 36 werden die Permanentmagnete 11 formschlüssig in die Aufnahmetaschen 18 eingesetzt. Eine Haft- oder Klebeverbindung zwischen den Permanentmagneten 11 einerseits und dem Außenkörper 12 und dem Innenkörper 13 andererseits entfällt.
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Wie bereits erläutert, kann der Außenkörper 12 nach Verbinden mit dem Innenkörper 13 optional bearbeitet werden, um die Stege 25 zu entfernen, vorzugsweise nach dem Einsetzen der Permanentmagnete 11 in die Aufnahmetaschen oder alternativ auch vorher.
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Die Erfindung betrifft eine Magnetträgereinheit 10 aufweisend eine Mehrzahl von mit Abstand zueinander angeordneten Permanentmagneten 11. Die Permanentmagnete 11 werden in Aufnahmetaschen 18 gehalten, die durch einen Außenkörper 12 und einen Innenkörper 13 begrenzt sind. Der Außenkörper 12 besteht aus einem magnetisierbaren Material und der Innenkörper 13 besteht aus einem nicht magnetisierbaren Material. Der Außenkörper 12 und der Innenkörper 13 sind miteinander verbunden. Die Permanentmagnete 11 sind formschlüssig ohne Klebeverbindung in den Aufnahmetaschen 18 gehalten. Der Außenkörper 12 und der Innenkörper 13 können jeweils geblecht aus mehreren Lagen 14 ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Magnetträgereinheit
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- Außenkörper
- 13
- Innenkörper
- 14
- Lage
- 15
- Außenring
- 16
- Innenring
- 17
- Aussparung
- 18
- Aufnahmetasche
- 22
- Vorsprung
- 23
- Vertiefung
- 24
- Flächenabschnitt
- 25
- Steg
- 30
- erster Schritt
- 31
- zweiter Schritt
- 32
- dritter Schritt
- 33
- vierter Schritt
- 34
- fünfter Schritt
- 35
- sechster Schritt
- 36
- siebter Schritt
- B
- Bewegungsrichtung
- d
- Wandstärke
- x
- kleinster Abstand
