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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechpaket für einen Rotor eines permanenterregten Synchron-Motors und ein Herstellungsverfahren dafür.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, kleinere Dauermagnete in Ausnehmungen eines Blechpakets zur Bildung eines Rotors einzusetzen, der zum Einsatz in einem permanenterregten Synchron-Motor ausgebildet ist. Das Blechpakte umfasst dazu mindestens einen Stapel, der durch fluchtend übereinander geschichteten Kreisringen gebildet ist. Jeder Kreisring weist Ausnehmungen auf, die über eine Anzahl von Kreisringen hinweg Tauschen bilden, in denen jeweils ein Magnet angeordnet ist. Die Fixierung der Magnete in den beschriebenen Ausnehmungen des Blechpakets stellt dabei eine der größten Herausforderungen dar. Es sind Verfahren bekannt, Magnete durch Klebstoff und/oder mechanisch an und in besonderen Magnettaschen der Ausnehmungen auf Position zu halten, die in einem Blechpaket des Rotors vorgesehen sind. Für eine alternative oder zusätzliche mechanische Fixierung der Magnete in den Ausnehmungen werden u.a. Haltenasen an den Magnettaschen beim Einfügen der Magnete vorgespannt, um die Magnete so dauerhaft zu fixieren. Beide Ansätze haben eine Reihe von Nachteilen.
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Nachteile beim Fixieren von Magneten durch Kleben sind u.a.:
- - Dosiernadeln zum Zuführen von Klebstoff müssen sehr fein sein, so dass geringe Durchflussraten hohe Taktzeiten bewirken;
- - Je nach Design ergeben sich sehr viel Klebstellen pro Rotor, da Vielzahl einzelner Magnete an jeweils gegenüberliegenden Enden verklebt werden müssen;
- - Bei geschränkten oder segmentierten Rotoren vervielfacht sich die Anzahl der Klebestellen durch die Aufteilung des Rotor-Körpers in getrennt zu fertigende Schichten zusätzlich;
- - Langer Aushärteprozess: Aufheizen der gesamten Rotormasse auf Temperaturen von üblicherweise > 130° und Halten bei dieser Temperatur;
- - Bei großer Stückzahl sind ein kostenintensiver Durchlaufofen und eine Kühlstrecke notwendig;
- - Eine Prozessüberwachung ist sehr kompliziert, da nur eine zerstörende Prüfung möglich ist;
- - Aufgrund von Bauteiltoleranzen unterliegt die Füllung der Klebetaschen einer sehr hohen Streuung. Daraus resultieren eine schlechte Reproduzierbarkeit sowie eine erhöhte Unwucht eines Rotors;
- - hoher Materialpreis der Klebstoffe
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Nachteile einer mechanischen Fixierung der Magnete sind u.a.:
- - Aufgrund der Toleranzen der Magnete und der Haltenasen / Blechpaket herrscht immer ein Luftspalt zwischen Magnet und Rotorpaket
- - Magnete sind sehr schlecht thermisch an das Rotorblechpaket angebunden, wodurch eine maximale Leistung negativ beeinflusst wird.
- - Da das Magnetmaterial sehr spröde ist, besteht die Gefahr, dass im Betrieb u.a. durch Wechselbelastung die Magnet zerbrechen können und sich dann durch die nicht vollständige Fixierung zumindest Teile der Magnete lösen können, was durch die i.d.R. geringen Abmessungen eines Luftspaltes zwischen Rotor und Stator im schlimmsten Fall zu einem total Ausfall des Motors führen kann.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Blechpaket für einen Rotor sowie ein Herstellungsverfahren unter weitgehender Meidung der vorstehenden Nachteile zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Magnete in den Ausnehmungen des Blechpakets durch einen Kunststoff als Produkt eines Spritzgießprozesses fixiert sind. Die Verklebung der Magnete mit dem Blechpaket wird also durch einen Kunststoff bewirkt. Der Kunststoff ist Produkt bzw. Ergebnis eines Spritzgießprozesses, in dem er unter Druck dünnflüssig verarbeitet wurde. Im Ergebnis werden so auch alle Hohlräume optimal verfüllt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht demnach vor, dass anstelle des Klebstoffes ein verflüssigter Kunststoff unter Verwendung einer Kunststoffspritzguss-Vorrichtung zur Fixierung eines jeden Magneten in der entsprechenden Ausnehmung eingespritzt wird. Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren werden die bekannten sog. Klebetaschen, die in den Ausnehmungen einem Rotor-Blechpaket nach Einsetzen der Magnete ausgebildet sind, für eine optimale Auslegung von Anspritzpunkten so gewählt, dass alle Taschen in einem Spritzgieß-Vorgang bzw. mit einem Schuss gefüllt werden. Aufgrund des hohen Drucks beim Kunststoffspritzguss wird ein Freiraum bzw. Luftraum um die Magnete vollständig mit Kunststoff gefühlt. Dadurch bekommen die Magnete neben einer sicheren Fixierung eine optimale thermische Anbindung an die Blechpaket des Rotors. Durch eine vollständige Kapselung der Magneten mit Kunststoff besteht zudem keine Gefahr mehr, dass sich Teile vom Magneten aufgrund einer möglichen Vorschädigung der Magnete etc. lösen können. Durch den bei Kunststoffspritzguss-Verfahren realisierbaren hohen Grad an Reproduzierbarkeit ist eine nur vernachlässigbare Streuung bei der Befüllung und damit auch keine zusätzliche Unwucht zu erwarten. Durch den Entfall eines nach bekannten Klebeverfahren erforderlichen Aushärteprozesses und durch die sehr schnelle Befüllung mittels Kunststoffspritzguss sind auch Taktzeiten deutliche kleiner als bei dem bisherigen Verfahren einer Fixierung der Magnete durch Kleben mit Klebstoff. Auch ist die Festigkeit der Magnetfixierung beim Kunststoffspritzguss immer gewährleistet, da der Kunststoff im Gegensatz zu in bekannten Verfahren verwendeten Klebstoffen nicht ausgebacken werden muss.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Demnach ist das Blechpaket vorzugsweise aus mehreren gegeneinander verschränkten Stapeln gebildet, die miteinander einstückig durch den Kunststoff verbunden sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind aus dem Kunststoff gebildete Stirnringe an einander gegenüberliegenden Endseiten des Blechpakets angeordnet, die durch Taschen der Ausnehmungen der Kreisringe hindurch miteinander durch den Kunststoff verbunden sind. So ist ein Blechpaket als stabile Einheit geschaffen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem Verfahrensschritt auch Stirnringe an den einander gegenüberliegenden Endseiten des Blechpakets ausgebildet. Diese Stirnringe werden durch die Taschen der Ausnehmungen der einzelnen Kreisringe hindurch durch den dünnflüssigen Kunststoff nach dessen Abkühlen miteinander verbunden.
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Besteht das Blechpaket des herzustellenden Rotors aus mehreren Segmenten oder aus einer Reihe von als Stapel einheitlich ausgebildeten Schicht-Paketen, werden die zuvor jeweils mit Magneten bestückten Stapel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem Kunststoffspritzguss-Schritt zu jeweils einem festen Paket einstückig verbunden. Bei optimaler Ausführung dieser Rotorsegmente werden auch geschränkte Rotoren mit Kunststoffspritzguss als geordnete Reihe von Stapeln in einem Schritt gemeinsam umspritzt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens werden alle Kreisringe sämtlicher Stapel des Blechpakets über einen zentrierenden Mittelzapfen auf einem Bodenteller einer Hilfsaufnahme geschichtet in ein Spritzgießwerkzeug eingespannt und soweit zusammengedrückt, dass alle Kreisringe des Blechpakets plan aufeinandergepresst liegen und erst dann ein Kunststoff eingespritzt wird.
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Vorteilhafterweise trägt der Bodenteller der Hilfsaufnahme eine Form zur Bildung des Stirnrings an einer Endseite des Blechpakets, die dem den verflüssigten Kunststoff zuführenden Werkzeug gegenüberliegend angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird das nach einer Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug noch ca. 160°C warme einstückig verbundene Blechpaket direkt über eine Rotorwelle geschoben und dort exakt positioniert. Das thermische Fügen macht damit also keinen zusätzlichen zeit- und energieaufwändigen Schritt einer weiteren Temperierung erforderlich. Dieses Verfahren birgt in sich den weiteren Vorteil, dass für das spätere Fügen der Welle in das nun einstückig ausgebildete Rotor-Blechpaket auch keine zusätzlichen Verspann-Vorrichtungen notwendig sind, die Handhabung insgesamt erleichtert und ein Fertigungsverfahren zusätzlich beschleunigt wird.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors, der aus gegeneinander fortschreitend verdrehten Schichten gleichartiger Blechpakete aufgebaut ist;
- 2: eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Rotors;
- 3: eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines in eine Spritzgießvorrichtung eingesetzten Rotors;
- 4: eine Draufsicht ein oberes Werkzeug der Spritzgießvorrichtung bei eingesetztem Rotor gemäß 3 und
- 5: eine Draufsicht auf einen bekannten Rotor.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung quaderförmiger Permanentmagnete zur Bildung eines Rotors eines Synchronmotors für ein elektrisch angetriebenes Personenfahrzeug dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Elektromotoren für stationäre Einsätze sowie deren Skalierbarkeit über Größen und Leistungsklassen von Synchronmotoren hinweg möglich ist.
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5 stellt eine Draufsicht auf ein aus dem Stand der Technik bekanntes Blechpaket 1 zur Bildung eines Rotors eines permanent erregten Synchronmotors dar. In der Draufsicht ist nur ein oberster Kreisring 2 eines Stapels 3 von ca. 50 bis etwa 60 gleichartig aus dünnem Blech gestanzten Kreisringen 2 sichtbar. Die Kreisringe 2 sind so genau übereinander gelegt, dass diverse gestanzten Ausnehmungen alle fluchtend übereinanderliegend angeordnet sind. Neben einer zentralen Ausnehmung 4 für eine abschließend in einem thermischen Fügeprozess einzusetzenden und daher hier nicht dargestellte Rotorwelle sind in dem Kreisring 2 noch Ausnehmungen 5 zur Aufnahme jeweils eines hier durch Schraffur hervorgehobenen Magneten 6, Ausnehmungen 7 zum Einsetzen von Wuchtstiften sowie sog. Index-Bohrungen 8 vorgesehen. Durch das Einsetzen von angepassten Wuchtstiften in mindestens eine der Ausnehmungen 5 wird eine Unwucht eines fertigen Rotors in dem Blechpaket 1 quasi intern ausgeglichen. Die Index-Bohrungen 8 dienen einer Einstellung der sog. Schränkung, durch die ein Stapel 3 mit eingesetzten Magneten 6 als eine einheitlich aufgebaute Schicht gegenüber einem darauffolgenden Stapel 3 um einen festen Winkel von hier ca. 2,5° verdreht angeordnet wird. Über in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sechs solcher Stapel 3 wird damit ein treppenartiger Versatz der Magnete 6 erzeugt, der in Summe dieser Einzelschritte insgesamt als Schrägstellung der Magnete 6 über das Blechpaket 1 hinweg wirkt.
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In einem bekannten Herstellungsverfahren werden nun in die Ausnehmungen 5 eines solchen Stapels 3 erst alle Magnete 6 eingesetzt. Danach werden freie Taschen 9, die nach dem Einsetzen der Magnete 6 in den Ausnehmungen 5 als Freiräume verbleiben, unter Benutzung von Nadeln mit einem Klebstoff dosiert verfüllt. Diese Anordnung wird dann zum Aushärten des Klebstoffs über eine bestimmte Zeitspanne hinweg höher temperiert gehalten. Unter Einstellung einer jeweilig erwünschten Schränkung werden dann mehrere dieser nach gleicher Weise vorgefertigten Stapel 3 übereinander gelegt und dann thermisch aufgeweitet über eine Welle zur Fertigstellung eines Rotors geschoben, wo sie dann nach einem Abkühlen durch Kraftschluss fixiert sind. Diesem thermischen Fügeverfahren kann noch eine einstückige Verbindung der entsprechend ausgerichteten und übereinander gestapelten Stapel 3 vorgeschaltet sein.
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Dieses Verfahren weist zahlreiche Nachteile auf, die Eingangs bereits in einer nicht abschließenden Aufzählung angeführt worden sind. Neben einer mangelhaften Reproduzierbarkeit der Verklebungen und der Ausbildung von Unwuchten sind aber der aus zahlreichen Teilschritten bestehende und nicht zuletzt durch die thermischen Behandlungen extrem zeit- und energieaufwändige Fertigungsprozess hervorzuheben.
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Als Lösung wird nun anhand der Abbildung von 1 mit einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors ein neuartiges Verfahren beschrieben. Auch nach diesem Verfahren werden Stapel 3 von ca. 50 gleichartig aus dünnem Blech gestanzten Kreisringen 2 gebildet. Hier können grundsätzlich auch Kreisringe 2 gemäß 5 verwendet werden. Die Stapel 3 dann in der gewohnten Weise mit Magneten 6 in den Ausnehmungen 5 bestückt. Darauf wird dann jedoch unter Einrichtung einer etwaig vorbestimmten Schränkung ein weiterer Stapel 3 über dem soweit fertig aufgebauten Stapel 3 positioniert, der dann ebenfalls mit Magneten 6 in Ausnehmungen 5 der Kreisringe 2 bestückt wird. Dieser Vorgang wird hier solange fortgesetzt, bis in diesem Beispiel insgesamt sechs mit Magneten 6 bestückte Stapel 3 übereinanderliegend angeordnet sind. In 1 ist durch die angedeuteten verdeckten Kanten der diversen Ausnehmungen 5, 7, 8 der Kreisringe 2 der jeweiligen Stapel 3 eine in gleichen Schritten fortschreitende Verschränkung um 2° bis 3° erkennbar.
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Über eine hier gestrichelt dargestellte Hilfsaufnahme 10 aus einem zentrierenden Mittelzapfen 11 und einem Bodenteller 12 geschichtet wird die beschriebene Anordnung nun in ein Spritzgießwerkzeug eingespannt und soweit zusammengedrückt, dass alle Kreisringe 2 des Blechpakets 1 plan aufeinandergepresst liegen. Eine kompakte Verpressung des Blechpakets 1 über alle Kreisringe 2 sämtlicher Stapel 3 hinweg in eine Endform ist damit fester Bestandteil dieses Fertigungsverfahrens. Erst anschließend wird dann ein Kunststoff eingespritzt und zwar zur Ausbildung von Stirnringen 13 an den einander gegenüberliegenden Endseiten des Blechpakets 1 durch die Taschen 9 der Ausnehmungen 5 der einzelnen Kreisringe 2 hindurch, so dass diese Stirnringe 13 miteinander verbunden sind. Dabei umschließt der Kunststoff die in die Ausnehmungen 5 eingesetzten Magnete 6. Der Kunststoff härtet unterhalb von ca. 300°C aus und schafft eine optimale Fixierung der Magnete 6 in den Ausnehmungen 5 bei dem gleichbleibend hoher thermischer Kopplung an das Material der metallischen Kreisringe 2 eines jeweiligen Stapels 3 und zugleich eine zuverlässige Fixierung aller Stapel 3 miteinander zu einem Blechpaket 1.
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Im Ergebnis wird nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs ein Blechpaket 1 als ein kompakter Block optimal eng aneinander liegender und in exakt ausgerichteten Stapeln 3 organisierter Kreisringe 2 entnommen, der schon aufgrund der Fertigungsgenauigkeit heutiger Spritzgießverfahren sehr geringe Fertigungstoleranzen und entsprechend hohe Maßhaltigkeit aufweist. Zudem ergibt sich gegenüber einem bekannten Klebeverfahren ein enormer Zeitvorteil, wobei zudem auch nur ein Schritt einer gemeinsamen Temperierung vorgesehen ist. Nach einer Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug wird das noch ca. 160°C warme Blechpaket 1 direkt über eine Rotorwelle geschoben und dort exakt positioniert. Damit ist ohne weitere Temperierung auch das thermische Fügen bereits abgeschlossen.
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2 stellt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Rotors dar. Hier überdeckt ein Stirnring 13 aus Kunststoff die hier nur angedeuteten Ausnehmungen 5 mit den darin eingesetzten und nun spielfrei in dem Kunststoff umschlossenen und damit auch fixierten Magnete 6. Durch die Anpressung eines Werkzeugs auf die zusammengepressten Kreisringe 2 wird eine Abdichtung erzeugt, durch die der Kunststoff auch in seiner durch Erhitzen verflüssigten Form selbst unter den hohen Einspritzdrücken moderner Spritzgießmaschinen nicht in den Bereich der zentralen Ausnehmung 4 für eine Rotorwelle oder den Bereich einer äußeren Mantelfläche des Blechpakets 1 austreten kann. Andernfalls könnte ein thermisches Fügen des fertigen Blechpaktes 1 auf der Rotorwelle nicht in der vorstehend beschriebenen Weise ohne Nachbearbeitung vollzogen werden. Ferner müsste sonst auch eine Außenmantelfläche des Blechpaktes 1 nachbearbeitet werden, damit Abmessungen eines in der Regel sehr geringen Luftspalts zwischen einem fertigen Rotor und einem Stator einer Synchronmaschine eingehalten werden. Diese Probleme sind aus dem Stand der Technik bekannt, entstehend aber im Zuge des vorstehend beschriebenen Fertigungsverfahrens vorteilhafterweise erst gar nicht.
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3 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines in ein Werkzeug 14 einer nicht weiter dargestellten Spritzgießvorrichtung auf der Hilfsaufnahme 10 eingesetzten Blechpakets 1. In diesem Spritzgießverfahren wird die Hilfsaufnahme 10 über den Mittelzapfen 11 als Zuganker zum Zusammenpressen der zahlreichen Kreisringe 2 benutzt. Der die Hilfsaufnahme 10 abschließende Bodenteller 12 dient nicht nur als Wiederlager beim Zusammenpressen der zahlreichen Kreisringe 2, sondern trägt in sich auch eine Form zur Bildung des Stirnrings 13 an einer Endseite, die dem den verflüssigten Kunststoff zuführenden Werkzeug 14 gegenüberliegend angeordnet ist.
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4 stellt schließlich eine Draufsicht auf das obere Werkzeug 14 der Spritzgießvorrichtung bei eingesetztem Blechpakets 1 gemäß 3 dar. Hierin ist die Anordnung von acht Einspritzdüsen 15 und deren interne Verknüpfung durch Kanäle 16 zu einer zentralen Zufuhr 17 des erhitzten Kunststoffs aus einer nicht weiter dargestellten Kunststoffspritzgießmaschine erkennbar. Damit wird in nur einem Prozessschritt und einmaligem Einspritzen von verflüssigtem Kunststoff eine kompakte und mechanisch belastbare Einheit aus dem zusammengepressten und mit zahlreichen einzelnen Magneten 6 bestückten Blechpaket 1 gebildet. Nach dem Erstarren des Kunststoffs unterhalb von ca. 300°C wird das Blechpaket 1 als fertiges Teil über eine Rotorwelle geschoben und fertig positioniert. Damit ist die Herstellung eines zuverlässigen und innerhalb enger Toleranzen gefertigten Rotors bereits abgeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blechpaket
- 2
- Kreisring
- 3
- Stapel
- 4
- zentrale Ausnehmung für eine Rotorwelle
- 5
- Ausnehmung zur Aufnahme je eines Magneten 6
- 6
- Magnet
- 7
- Ausnehmung zum Einsetzen von Wuchtstiften
- 8
- Index-Bohrung
- 9
- Tasche der Ausnehmung 5
- 10
- Hilfsaufnahme
- 11
- zentrierender Mittelzapfen
- 12
- Bodenteller
- 13
- Stirnring an einer Endseite des Blechpakets 1
- 14
- Werkzeug der Spritzgießvorrichtung
- 15
- Einspritzdüse des Werkzeugs 14
- 16
- Kanal / interne Verknüpfung zur Verteilung und Zuführung des erhitzten Kunststoffs an jede Einspritzdüse 15
- 17
- zentrale Zufuhr des erhitzten Kunststoffs aus einer Kunststoffspritzgießmaschine
