DE102022101984A1

DE102022101984A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors

Info

Publication number: DE102022101984A1
Application number: DE102022101984.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schmack; Peter Wurster; Tobias Engelhardt; David Bauer; Lukas Denneborg
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-03
Also published as: KR20230116701A; CN116526775A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors (20) für eine Elektromaschine (10), welcher Rotor (20) einen Rotorkern (22) und Permanentmagneten (30) mit Permanentmagnetsegmenten (32) aufweist, welcher Rotorkern (22) Magnettaschen (24) für die Permanentmagneten (30) aufweist, weist die folgenden Schritte auf:A) Die Permanentmagnetsegmente (32) werden im unmagnetisierten Zustand und ohne Fügeverbindung zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten (32) in die Magnettaschen (24) eingeführt,B) Die Permanentmagnetsegmente (32) werden in den Magnettaschen (24) in einem Fixierungsschritt fixiert,C) nach Schritt B) werden die Permanentmagnetsegmente (32) magnetisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors, einen Rotor und eine Elektromaschine.
Die EP 2 312 732 B1 zeigt ein Verfahren mit Magnetisierung von nichtmagnetisierten Dauermagnetsegmenten nach deren Einbau.
Die EP 2 378 646 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem die Permanentmagneten nach der Montage magnetisiert werden.
Die JP 5 287 138 B2 zeigt ein Verfahren zur Magnetisierung von Permanentmagneten im Motor.
Die JP 5 412 082 B2 zeigt einen Elektromotor.
Die DE 10 2011 105 515 A1 zeigt eine magnetische Baugruppe mit weichmagnetischen Segmenten und mit einem hartmagnetischen Segment.
Die DE 10 2016 116 990 A1 zeigt einen intern segmentierten Dauermagneten, bei dem die Magnetsegmente miteinander gefügt sind.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zur Herstellung eines Rotors, einen neuen Rotor und eine neue Elektromaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Elektromaschine, welcher Rotor einen Rotorkern und Permanentmagneten mit Permanentmagnetsegmenten aufweist, welcher Rotorkern Magnettaschen für die Permanentmagneten aufweist,
weist die folgenden Schritte auf:

A) Die Permanentmagnetsegmente werden im unmagnetisierten Zustand und ohne Fügeverbindung zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten in die Magnettaschen eingeführt,
B) Die Permanentmagnetsegmente werden in den Magnettaschen in einem Fixierungsschritt fixiert,
C) nach Schritt B) werden die Permanentmagnetsegmente magnetisiert.

Durch das Einführen der einzelnen Permanentmagnetsegmente ohne Fügeverbindung untereinander und damit unverbunden kann ein Fügeschritt vor dem Einführen entfallen. Zudem können die Permanentmagnetsegmente für unterschiedliche Magnettaschengrößen verwendet werden, indem die Anzahl der Permanentmagnetsegmente variiert wird. Zudem kann bei gleichem Volumen mehr Magnetmasse vorgesehen werden, und es ergeben sich viele Freiheitsgrade bei der geometrischen Anordnung, beispielsweise eine Kombination von Translation und Rotation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnettaschen zumindest teilweise für eine Mehrzahl von Permanentmagnetsegmenten ausgebildet, und im Schritt A) werden mehrere Permanentmagnetsegmente in mindestens eine der Magnettaschen eingeführt. Es ist somit möglich, zumindest in einen Teil der Magnettaschen mehrere Permanentmagnetsegmente einzuführen, und es sind nicht getrennte Magnettaschen erforderlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden in mindestens einer der Magnettaschen mehrere Permanentmagnetsegmente derart angeordnet, dass mindestens zwei benachbarte Permanentmagnetsegmente relativ zueinander in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung versetzt sind. Durch einen solchen Versatz kann die Position der Permanentmagnetsegmente relativ zueinander besser definiert werden als bei einer Anordnung in einer Linie ohne Versatz. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind naturgemäß nicht parallel, sondern sie haben einen Winkel zueinander. Anders ausgedrückt sind die erste Richtung und die zweite Richtung unterschiedlich. Man kann auch von einer Anordnung mit Versatz sprechen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Permanentmagnetsegmente zumindest teilweise eine quaderförmige Grundform auf, und die erste Richtung ist senkrecht zu einer ersten Seite der Permanentmagnetsegmente und die zweite Richtung senkrecht zu einer zweiten Seite der Permanentmagnetsegmente. Die Permanentmagnetsegmente können hierdurch nah aneinander positioniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Permanentmagnetsegmente in mindestens einer der Magnettaschen nach Schritt B) zumindest teilweise relativ zueinander verdreht. Dies ergibt eine gekrümmte Anordnung. Die verdrehte Anordnung ermöglicht ebenfalls eine gute Positionierung relativ zueinander und zudem eine gute Ausgestaltung der durch den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flussdichte und eine Erhöhung des Reluktanzeffekts sowie der Induktivität.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Permanentmagnetsegmente in mindestens einer der Magnettaschen axial zueinander versetzt eingeführt. Hierdurch kann eine axial versetzte Anordnung der Permanentmagnetsegmente relativ zueinander erzielt werden, und die Wirbelströme können reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Fixierungsschritt mindestens einen Fixierungsschritt auf aus einer ersten Gruppe bestehend aus:

- Erzeugung einer Klebeverbindung,
- Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung, und
- Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung.

Eine Klebeverbindung kann beispielsweise durch ein Einbringen eines Harzes oder eines anderen adhäsiven Kunststoffs nach dem Einführen der Permanentmagnetsegmente erzeugt werden.
Eine kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Klemmelemente in einem als Blechpaket ausgebildeten Rotorkern oder durch zusätzliche mechanische Klemmelemente erzielt werden.
Eine Formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch das Vorsehen axialer Deckel am Rotorkern oder durch eingreifende Schrauben erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fixierungsschritt eine Erzeugung einer Klebeverbindung mit Kunststoff, insbesondere mit einem Harz. Dadurch, dass die Permanentmagnetsegmente nicht vorab miteinander verklebt sind, wird die Gefahr von Lufteinschlüssen bei der Erzeugung der Klebeverbindung verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fixierungsschritt eine Erzeugung einer Klebeverbindung durch Spritzpressen. Dieses Verfahren ermöglicht eine Herstellung einer Kunststoffzone mit wenigen oder keinen Lufteinschlüssen. Hierbei sind bevorzugt Fließkanäle zwischen den Permanentmagnetsegmenten vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fixierungsschritt keine Erzeugung einer Klebeverbindung. Durch die Magnetisierung werden die Permanentmagnetsegmente an die Außenseite des Rotorkerns gezogen, und dies ergibt eine gute Wechselwirkung mit der durch die Statoranordnung erzeugte magnetische Flussdichte. Zudem kann die Wärmeleitfähigkeit durch die größeren Spalten verbessert werden.
Ein Rotor ist hergestellt durch ein solches Verfahren.
Eine Elektromaschine weist eine Statoranordnung und einen solchen Rotor auf.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:

1 in schematischer axialer Ansicht eine Ausführungsform eines Rotors mit versetzten Permanentmagnetsegmenten,
2 in schematischer axialer Ansicht einen Rotorkern des Rotors von 1,
3 in schematischer axialer Ansicht den Rotorkern von 2 mit eingesetzten Permanentmagnetsegmenten,
4 in schematischer axialer Ansicht den Rotorkern von 3 nach einem Fixierungsschritt,
5 in schematischer axialer Ansicht den Rotorkern von 4 bei einem Magnetisierungsschritt,
6 in schematischer axialer Ansicht eine Ausführungsform eines Rotors mit gekrümmter Anordnung der Permanentmagnetsegmente,
7 in schematischer axialer Ansicht eine Ausführungsform eines Rotors mit axialem Versatz der Permanentmagnetsegmente, und
8 in schematischer Darstellung eine Elektromaschine mit einer Steueranordnung, einer Statoranordnung und einem Rotor.

Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Polbereich eines Rotors 20 für eine Elektromaschine 10 (vgl. 8). Der Rotor 20 hat einen Rotorkern 22, Permanentmagneten 30 und eine Welle 28. Der Rotorkern 22 weist Magnettaschen 24 für die Permanentmagneten 30 auf. Die Permanentmagneten 30 weisen Permanentmagnetsegmente 32 auf.
Im Ausführungsbeispiel ist zumindest bereichsweise um die Permanentmagnetsegmente 32 herum ein Kunststoff 34 vorgesehen, um die Permanentmagnetsegmente in der zugeordneten Magnettasche 24 zu fixieren.
Die schematische Darstellung des Bereichs zeigt beispielhaft die Anordnung der Magnettaschen 24 und der Permanentmagneten 30 für einen Rotorpol 26. Die übrigen Rotorpole können entsprechend ausgebildet sein, und die Darstellung impliziert für den Fachmann nicht, dass auch der Rotorkern segmentiert sein muss, er kann es aber sein. Der Rotor 20 kann zweipolig, vierpolig, sechspolig oder höherpolig sein.
Im Ausführungsbeispiel sind die Magnettaschen 24 für eine Mehrzahl von vier Permanentmagnetsegmenten 32 ausgebildet, es können aber auch Magnettaschen 24 für ein, zwei, drei, fünf oder mehr Permanentmagnetsegmente 32 vorgesehen sein. Bevorzugt sind es bei zumindest einem Teil der Magnettaschen 24 mindestens zwei Permanentmagnetsegmente 32.
Die Permanentmagnetsegmente 32 sind im Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass mindestens zwei benachbarte Permanentmagnetsegmente 32 relativ zueinander in einer ersten Richtung 41 und in einer zweiten Richtung 42 versetzt sind.
Die Permanentmagnetsegmente 32 haben bevorzugt zumindest teilweise eine quaderförmige Grundform. Dabei ist die erste Richtung senkrecht zu einer ersten Seite der Permanentmagnetsegmente 32 und die zweite Richtung 42 ist senkrecht zu einer zweiten Seite der Permanentmagnetsegmente 32. Die Permanentmagnetsegmente 32 können aber beispielsweise auch zumindest teilweise gekrümmte Flächen aufweisen.
2 zeigt einen ersten Schritt der Herstellung des Rotors 30 von 1. Der Rotorkern 22 mit den Magnettaschen 24 wird bereitgestellt.
3 zeigt einen zweiten Schritt der Herstellung des Rotors 30. Die Permanentmagnetsegmente 32, die als solche bevorzugt aus einem hartmagnetischen Material bestehen, werden im unmagnetisierten Zustand und ohne Fügeverbindung zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten 32 in die Magnettaschen 24 eingeführt, Im Gegensatz zu einem Permanentmagneten 30, der aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Permanentmagnetsegmenten zusammengesetzt ist, werden die Permanentmagnetsegmente ohne feste Verbindung zu den anderen Permanentmagnetsegmenten 32 in die Magnettaschen 24 eingesetzt. Hierdurch kann ein Fügevorgang der Permanentmagnetsegmente vor dem Einführen vermieden werden.
Segmentierte Permanentmagneten 30 haben aufgrund geringerer Wirbelstromverluste Vorteile gegenüber einstückigen Permanentmagneten 30. Derartige segmentierte Permanentmagneten werden bei der Herstellung von Rotoren bisher üblicherweise als ein quaderförmiges Permanentmagnetteil aus miteinander verklebten Permanentmagnetsegmenten in die Magnettaschen eingesetzt. Man spricht hierbei auch von laminierten, segmentierten Permanentmagneten.
Im magnetisierten Zustand wäre es schwer oder überhaupt nicht möglich, mehrere Permanentmagnetsegmente 32 in eine Magnettasche 24 einzusetzen, da sie sich wegen der gleichen Polarität abstoßen und hierbei - insbesondere bei Seltene-Erden-Magneten - starke Kräfte entstehen.
Im unmagnetisierten Zustand können die Permanentmagnetsegmente 32 jedoch eingesetzt werden, ohne dass größere Magnetkräfte zwischen ihnen entstehen. Hierbei können die Permanentmagnetsegmente 32 beispielsweise nacheinander eingesetzt werden, oder sie können über eine schematisch dargestellte Greifvorrichtung 61 mit mehreren Greifelementen zumindest teilweise gleichzeitig in die Magnettaschen 24 eingesetzt werden.
4 zeigt den Rotor 20 nach Durchführung eines Fixierungsschritts. Im Ausführungsbeispiel ist ein Kunststoff 34 in den Bereich zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten 32 und/oder in den Bereich zwischen den Permanentmagnetsegmenten 32 und dem Rotorkern 22 eingebracht worden, und der Kunststoff 34 fixiert die Permanentmagnetsegmente 32 in der zugeordneten Magnettasche 24. Man kann von einer Klebeverbindung sprechen.
Die Durchführung des Fixierungsschritts nach dem Einführen der Permanentmagnetsegmente ist vorteilhaft, da der Prozessschritt des Verklebens der Permanentmagnetsegmente 32 vor dem Einführen in den Rotorkern 22 entfällt und eine entsprechende Verbindung zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten 32 zusammen mit der Verbindung zum Rotorkern 22 erzeugt werden kann.
Als Kunststoff kann auch ein Harz verwendet werden, beispielsweise Epoxidharz.
Alternative zu dieser Einbettung der Permanentmagnetsegmente 32 in dem Kunststoff 34 können diese beispielsweise auch mechanisch durch - nicht dargestellte - Klemmelemente fixiert werden, welche Klemmelemente beispielsweise im Rotorkern 22 ausgebildet sein können.
Allgemein kann der Fixierungsschritt mindestens einen Fixierungsschritt aufweisen aus einer Gruppe bestehend aus:

- Erzeugung einer Klebeverbindung,
- Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung, und
- Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung

Eine bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung einer Klebeverbindung ist Spritzpressen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird keine Verklebung durch einen Kunststoff durchgeführt, und dies erleichtert die Montage stark.
5 zeigt einen weiteren Schritt der Herstellung, bei dem die Permanentmagnetsegmente 32 und damit die Permanentmagneten 30 nach dem Fixierungsschritt durch eine Magnetisiervorrichtung 63 magnetisiert werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 20.
Die Permanentmagnetsegmente 32 sind in den Magnettaschen 24 zumindest teilweise relativ zueinander verdreht. Dies ermöglicht eine gute Positionierung der Permanentmagnetsegmente 32 beim Einführen in den Rotorkern 22 und eine Verbesserung der durch den Rotorpol 26 erzeugten magnetischen Flussdichte.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform des Rotors 20.
Die Permanentmagnetsegmente 32 sind bei dieser Ausführungsform in mindestens einer der Magnettaschen 24 axial zueinander versetzt angeordnet und werden entsprechend bei der Herstellung axial zueinander versetzt eingeführt. Auch durch eine solche Ausgestaltung können die Wirbelstromverluste reduziert werden.
8 zeigt eine Elektromaschine 10, welche eine Statoranordnung 12, die Rotoranordnung 20 und eine Steuervorrichtung 14 aufweist. Die Steuervorrichtung 14 weist bevorzugt eine Endstufe auf.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2312732 B1 [0002]
EP 2378646 A1 [0003]
JP 5287138 B2 [0004]
JP 5412082 B2 [0005]
DE 102011105515 A1 [0006]
DE 102016116990 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rotors (20) für eine Elektromaschine (10), welcher Rotor (20) einen Rotorkern (22) und Permanentmagneten (30) mit Permanentmagnetsegmenten (32) aufweist, welcher Rotorkern (22) Magnettaschen (24) für die Permanentmagneten (30) aufweist, welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist: A) Die Permanentmagnetsegmente (32) werden im unmagnetisierten Zustand und ohne Fügeverbindung zwischen den einzelnen Permanentmagnetsegmenten (32) in die Magnettaschen (24) eingeführt, B) Die Permanentmagnetsegmente (32) werden in den Magnettaschen (24) in einem Fixierungsschritt fixiert, C) nach Schritt B) werden die Permanentmagnetsegmente (32) magnetisiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Magnettaschen (24) zumindest teilweise für eine Mehrzahl von Permanentmagnetsegmenten ausgebildet sind, und bei welchem im Schritt A) mehrere Permanentmagnetsegmente (32) in mindestens eine der Magnettaschen (24) eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in mindestens einer der Magnettaschen (24) mehrere Permanentmagnetsegmente (32) derart angeordnet werden, dass mindestens zwei benachbarte Permanentmagnetsegmente (32) relativ zueinander in einer ersten Richtung (41) und in einer zweiten Richtung (42) versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Permanentmagnetsegmente (32) zumindest teilweise eine quaderförmige Grundform aufweisen, und bei welchem die erste Richtung (41) senkrecht zu einer ersten Seite der Permanentmagnetsegmente (32) und die zweite Richtung (42) senkrecht zu einer zweiten Seite der Permanentmagnetsegmente (32) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Permanentmagnetsegmente (32) in mindestens einer der Magnettaschen (24) nach Schritt B) zumindest teilweise relativ zueinander verdreht sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Permanentmagnetsegmente (32) in mindestens einer der Magnettaschen (24) axial zueinander versetzt eingeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Fixierungsschritt mindestens einen Fixierungsschritt aufweist aus einer ersten Gruppe bestehend aus: - Erzeugung einer Klebeverbindung, - Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung, und - Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Fixierungsschritt eine Erzeugung einer Klebeverbindung mit Kunststoff, insbesondere mit einem Harz, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Fixierungsschritt eine Erzeugung einer Klebeverbindung durch Spritzpressen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der Fixierungsschritt keine Erzeugung einer Klebeverbindung umfasst.
Rotor (20), welcher hergestellt ist durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektromaschine (10), welche eine Statoranordnung (12) und einen Rotor (20) nach Anspruch 11 aufweist.