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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp für sehr hohe Drehzahlen und insbesondere einen Rotoraufbau für eine sich sehr schnell drehende Maschine vom Permanentmagnettyp, bei der ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet so am Umfangsabschnitt einer Rotorwelle befestigt ist, daß das am Permanentmagnet wirkende Drehmoment auf die Rotorwelle übertragen wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Für den Rotoraufbau einer sich drehenden Maschine vom Permanentmagnettyp, etwa einem Synchronmotor vom Permanentmagnettyp für sehr hohe Drehzahlen oder allgemein einem Synchronmotor vom Permanentmagnettyp sind im Stand der Technik verschiedene Rotoraufbauten bekannt. Zum Beispiel wird ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet mittels eines Einpreßverfahrens, eines Schrumpfeinsetzverfahrens oder eines Kühleinsetzverfahrens in ein nichtmagnetisches Verstärkungsmaterial (im folgenden als ”Verstärkungsring” bezeichnet) eingesetzt, oder ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet wird mit einem nichtmagnetischen Metalldraht umwickelt (siehe die Patentdokumente 1 und 2).
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Bei einem Rotoraufbau mit einem solchen Ringmagnet ist der Verstärkungsring mit einem Festsitz angebracht, so daß der Permanentmagnet nicht durch Zugspannungen beschädigt wird, die bei einer hohen Drehzahl auf den Rotoraufbau wirken, bei denen die auf den Innendurchmesser des Permanentmagneten einwirkende Zugspannung größer sein kann als die zulässige Zugspannung am Permanentmagnet. Hinsichtlich des am Permanentmagneten wirkenden Drehmoments kann sich durch den Festsitz der Permanentmagnet nicht von der Rotorwelle lösen, wenn sich der Rotoraufbau mit hoher Drehzahl dreht. Alternativ sind die Rotorwelle und der Permanentmagnet so verbunden, daß das Drehmoment auf die Rotorwelle übertragen wird. Um Wirbelstromverluste zu verringern, werden für den Verstärkungsring hochfeste Fasern wie Kohlenstoff-Fasern und/oder ein nichtmagnetischer Metalldraht verwendet.
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Es ist auch bereits ein Rotoraufbau bekannt, bei dem ein säulenförmiger Permanentmagnet durch ein Einpreßverfahren, ein Schrumpfeinsetzverfahren oder ein Kühleinsetzverfahren an einem Verstärkungsring befestigt wird (siehe Patentdokument 3).
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Im Falle des Rotoraufbaus mit dem säulenförmigen Permanentmagneten wird ein Festsitz geschaffen, wodurch, wenn sich der Rotoraufbau mit hoher Drehzahl dreht, keine Zugspannungen auf den Permanentmagneten einwirken, deren Stärke die zulässige Zugspannung am Permanentmagneten übersteigt, so daß verhindert wird, daß der Permanentmagnet zu Bruch geht. Der Verstärkungsring und die Rotorwelle werden durch ein Einpreßverfahren, ein Kühleinsetzverfahren oder ein Schweißverfahren an den beiden Enden des Permanentmagneten befestigt. Über den Festsitz wird das am Permanentmagnet wirkende Drehmoment auf die Rotorwelle übertragen. Der Festsitz bewirkt, daß durch die Zentrifugalkräfte bei der Drehung des Rotoraufbaus mit hoher Drehzahl sich der Verstärkungsring nicht vom Permanentmagneten löst und auch, daß sich die Rotorwelle nicht vom Permanentmagneten löst. Bei einem Vergleich des säulenförmigen Permanentmagneten mit dem zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten wird, wenn beide Magnete den gleichen Durchmesser und die gleiche Länge haben, der säulenförmige Permanentmagnet von der Zentrifugalkraft weniger beeinflußt, und die vom säulenförmigen Permanentmagneten erzeugte magnetomotorische Kraft ist größer als die vom zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten erzeugte.
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Dokumente zum Stand der Technik Patentdokumente
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Patentdokument 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 03-159533
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Patentdokument 2: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2005-312250
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Patentdokument 3: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-354724
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe, die mit der Erfindung gelöst werden soll
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Bei den Rotoraufbauten, die in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben sind, hat der Festsitz ein großes Ausmaß, damit sich die Rotorwelle nicht vom Permanentmagnet löst, wenn bestimmte Zentrifugalkräfte auftreten und sich die Temperatur des Rotoraufbaus verändert. Das hat zur Folge, daß die tatsächlich zum Einpressen oder dem Schrumpfeinsetzen anzuwendende Temperatur auf einen ungewöhnlich hohen Wert anzuheben ist. Eine solch ungewöhnlich hohe Temperatur ist nicht für eine Massenproduktion geeignet. Dieser Nachteil eines Festsitzes mit einem großen Ausmaß gilt auch für das Kühleinsetzverfahren. Durch diesen Nachteil wird die Effizienz der Produktion bei der Herstellung des Rotoraufbaus deutlich herabgesetzt.
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Bei einem Rotoraufbau, bei dem das Drehmoment dadurch auf die Rotorwelle übertragen wird, daß der Permanentmagnet durch ein Bindemittel mit der Rotorwelle verbunden wird, kann die Bindewirkung des Bindemittels bei hohen Temperaturen (100°C oder mehr) abgeschwächt sein. Wenn sich der Permanentmagnet aufgrund eines Nachlassens des Bindemittels einmal von der Rotorwelle gelöst hat, kann er sich nicht wieder mit der Rotorwelle verbinden. Es ist also zu befürchten, daß sich bei hohen Temperaturen der Permanentmagnet von der Rotorwelle löst und kein Drehmoment mehr auf die Rotorwelle übertragen wird.
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Wenn der Verstärkungsring aus einer hochfesten Faser besteht, kann dafür kein Schrumpfeinsetzverfahren angewendet werden, da hochfeste Fasern einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Das Einpreßverfahren oder das Kühleinsetzverfahren können zwar zum Anbringen der hochfesten Fasern am Permanentmagneten verwendet werden; der thermische Ausdehnungskoeffizient des Permanentmagneten ist jedoch nur etwa halb so groß wie der von Eisen. Es ist schwierig, damit einen Festsitz zu erreichen, der bewirkt, daß die auf den Permanentmagnet wirkende Zugspannung unter der für den Permanentmagneten zulässigen Zugspannung bleibt. Es ist damit schwierig zu erreichen, daß sich der Permanentmagnet bei großer Zentrifugalkraft und hoher Drehzahl nicht von der Rotorwelle löst.
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Bei dem im Patentdokument 3 beschriebenen Rotoraufbau muß, wenn der Festsitz ausreichen soll, damit die Zugspannungen unter dem für den Permanentmagneten zulässigen Wert bleiben, das Ausmaß des Festsitzes sehr groß sein. Das heißt, daß die Temperatur für ein Einpreßverfahren oder ein Schrumpfeinsetzverfahren zu hoch für die Herstellung einer großen Anzahl von Rotoraufbauten für die industrielle Anwendung anzusetzen ist. Die Effizienz der Produktion des Rotoraufbaus ist damit eingeschränkt. Das gleiche gilt bei der Anwendung eines Kühleinsetzverfahrens.
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Wenn der Permanentmagnet eine Säulenform hat, wird die Rotorwelle in eine Anzahl Abschnitte aufgeteilt, und der Permanentmagnet wird zwischen den Abschnitten angeordnet. Zum Befestigen der Rotorwelle an den beiden Enden des Permanentmagneten können das Einpreßverfahren, das Schrumpfeinsetzverfahren oder das Kühleinsetzverfahren mit einem Verstärkungsring angewendet werden. Außerdem kann die Rotorwelle mit dem Verstärkungsring verschweißt werden. Bei allen diesen Verfahren ist es jedoch erforderlich, das Verziehen und die Steifigkeit der Rotorwelle zu berücksichtigen. Der Herstellungsvorgang wird damit kompliziert.
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Wenn die Rotorwelle mit einem Verstärkungsring durch das Einpreßverfahren, das Schrumpfeinsetzverfahren oder das Kühleinsetzverfahren am Permanentmagnet angebracht wird, ist ein großer Festsitz erforderlich, damit sich bei den herrschenden thermischen Bedingungen und der einwirkenden Zentrifugalkraft nicht der Verstärkungsring von der Rotorwelle oder dem Permanentmagnet löst. Das am Permanentmagnet wirkende Drehmoment wird auf den Verstärkungsring übertragen und von dort auf die Rotorwelle. Damit der Festsitz genügend groß ist, ist die für das Einpreßverfahren oder das Schrumpfeinsetzverfahren anzuwendende Temperatur zu hoch für die Herstellung eines Rotoraufbaus im industriellen Maßstab. Diese Schwierigkeit tritt auch bei dem Kühleinsetzverfahren auf. Die Effizienz der Produktion des Rotoraufbaus ist damit eingeschränkt.
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Die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung hat die
japanische Patentanmeldung Nr. 2007-240451 eingereicht. In dieser Patentanmeldung beschreibt die Anmelderin einen Rotoraufbau, bei dem ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet am Umfangsabschnitt einer Rotorwelle angeordnet ist, an den beiden Endflächen des Permanentmagneten ringförmige Seitenplatten aus Metall angesetzt sind und ein zylindrischer Verstärkungsring aus Metall den Permanentmagnet und die ringförmigen Seitenplatten zu einer Einheit verbindet.
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Bei einem solchen Rotoraufbau tritt jedoch, wenn eine sich sehr schnell drehende Maschine in einem großen Temperaturbereich betrieben werden soll, durch den Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten und der Seitenplatten sowie aufgrund von Größentoleranzen für den Permanentmagneten und die Seitenplatten ein Größenunterschied zwischen dem Außendurchmesser des Permanentmagneten und dem Außendurchmesser der Seitenplatten in Erscheinung. Wenn die Größentoleranz zwischen dem Außendurchmesser des Permanentmagneten und dem Außendurchmesser der Seitenplatten groß ist, ist der Außendurchmesser des Permanentmagneten größer als der der Seitenplatten oder umgekehrt, und der jeweils größere Außendurchmesser entspricht dem Innendurchmesser des Verstärkungsrings, so daß die vom Verstärkungsring ausgeübte Befestigungskraft für das Element mit dem jeweils kleineren Außendurchmesser geringer ist als für das andere Element.
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Bei einer niedrigen Temperatur (von zum Beispiel unter 0°C) ist, wie innerhalb der gestrichelten Ellipse der 7(a) gezeigt, die vom Verstärkungsring 105 auf die Seitenplatte 104 ausgeübte Befestigungskraft gering, so daß das Drehmoment des Permanentmagneten 103 nicht zuverlässig auf die Rotorwelle 102 übertragen wird. Bei einer hohen Temperatur (von zum Beispiel 150°C und darüber) ist, wie innerhalb der gestrichelten Ellipse der 7(b) gezeigt, die vom Verstärkungsring 105 auf die permanente Platte 104 ausgeübte Befestigungskraft gering, so daß die von Zentrifugalkräften erzeugte Zugspannung am Permanentmagnet 103 nicht sicher kontrolliert werden kann. Der Permanentmagnet 103 kann dabei zerbrechen.
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Deshalb ist es Zweck der vorliegenden Erfindung, einen Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp zu schaffen, bei dem ein Festsitz für ein Verstärkungselement zum Stabilisieren eines Permanentmagneten, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, mit einer guten Produktionseffizienz mittels eines gewöhnlichen Verfahrens hergestellt werden kann, wobei die Übertragungseigenschaften für das Drehmoment hervorragend sind, wenn der sich drehende Aufbau sich mit hoher Geschwindigkeit dreht und der Temperaturbereich groß ist.
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Mittel zum Lösen der Aufgabe
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß einer ersten Erfindung ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet am Umfangsabschnitt einer Rotorwelle befestigt, um das am Permanentmagneten wirkende Drehmoment auf die Rotorwelle zu übertragen, wobei der Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Paar von zwei Seitenplatten umfaßt, die jeweils ringförmig ausgebildet sind und eine axiale Öffnung aufweisen, in die die Rotorwelle so eingesetzt ist, daß sie sich als Einheit bewegen, wobei die Seitenplatten jeweils an den Endflächen des Permanentmagneten angeordnet sind und die Seitenplatten gegenüberliegend koaxial zu der axialen Öffnung eine ringförmige Nut aufweisen, und wobei ein zylindrisch ausgebildetes Halteelement die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten und die äußere Umfangsfläche jeder der Seitenplatten abdeckt und den Permanentmagneten und die Seitenplatte so verbindet, daß sie sich als eine Einheit bewegen.
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Bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß einer zweiten Erfindung weist jede der Seitenplatten an ihrer anderen Endfläche, die der Endfläche mit der ringförmigen Nut gegenüberliegt, eine weitere ringförmige Nut auf, wobei die weitere ringförmige Nut koaxial zu der axialen Öffnung der ersten Erfindung ist und die zweite Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Durchmesser der weiteren ringförmigen Nut sich vom Durchmesser der ringförmigen Nut unterscheidet.
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Bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp ist gemäß einer dritten Erfindung die dritte Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei der ersten Erfindung oder der zweiten Erfindung bei niedrigen Temperaturen der Außendurchmesser jeder der Seitenplatten gleich dem Außendurchmesser des Permanentmagneten ist.
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Bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp ist gemäß einer vierten Erfindung die vierte Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient jeder der Seitenplatten größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Permanentmagneten der dritten Erfindung.
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Auswirkungen der Erfindung
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Bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß der ersten Erfindung ist ein zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet am Umfangsabschnitt einer Rotorwelle befestigt, um das am Permanentmagneten wirkende Drehmoment auf die Rotorwelle zu übertragen, wobei der Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Paar von zwei Seitenplatten umfaßt, die ringförmig ausgebildet sind und die eine axiale Öffnung aufweisen, in die die Rotorwelle so eingesetzt ist, daß sie sich als Ganzes bewegen, wobei die Seitenplatten jeweils an den Endflächen des Permanentmagneten angeordnet sind und die Seitenplatten gegenüberliegend koaxial zu der axialen Öffnung eine ringförmige Nut aufweisen und ein zylindrisch ausgebildetes Halteelement die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten und die äußere Umfangsfläche jeder der Seitenplatten abdeckt und den Permanentmagneten und die Seitenplatten so verbindet, daß sie sich als eine Einheit bewegen. Wenn sich im Betrieb der sich drehenden Maschine vom Permanentmagnettyp die Temperatur des Permanentmagneten und die Temperatur jeder der Seitenplatten erhöhen und der Außendurchmesser der Seitenplatten aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder aufgrund von Größentoleranzen größer wird als der des Permanentmagneten, verformt sich der äußere Bereich der jeweiligen Seitenplatte durch das Vorsehen der ringförmigen Nut in der Endfläche der Seitenplatte, die dem Permanentmagneten gegenüberliegt, bezüglich der ringförmigen Nut in Radialrichtung elastisch, und der Größenunterschied zwischen dem Permanentmagneten und der Seitenplatte kann so eingestellt werden, daß ein Festsitz des Halteelements bezüglich des Permanentmagneten erhalten wird. Das am Permanentmagneten wirkende Drehmoment wird daher in einem großen Temperaturbereich sicher auf die Rotorwelle übertragen, wobei verhindert wird, daß der Magnet durch Zentrifugalkräfte zerbricht.
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Erfindungsgemäß kann also, auch wenn sich die drehende Maschine mit hoher Geschwindigkeit in einem großen Temperaturbereich dreht, das Halteelement auch als Verstärkungselement verwendet werden, das einen Festsitz aufweist, bei dem der Permanentmagnet mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden kann. Die erfindungsgemäße drehende Maschine kann im industriellen Maßstab hergestellt werden, wobei es möglich ist, den Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp so auszugestalten, daß das Drehmoment hervorragend übertragen wird.
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Bei dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß der zweiten Erfindung weist jede der Seitenplatten in ihrer anderen Endfläche, die der Endfläche mit der ringförmigen Nut gegenüberliegt, eine weitere ringförmige Nut auf, wobei die weitere ringförmige Nut koaxial zu der axialen Öffnung ist und der Durchmesser der weiteren ringförmigen Nut sich vom Durchmesser der ringförmigen Nut unterscheidet. Zusätzlich zu den positiven Auswirkungen, die mit der ersten Erfindung erhalten werden, wird auf diese Weise der Festsitz des Halteelements bezüglich des Permanentmagneten weiter verbessert.
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Bei dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp ist gemäß der dritten Erfindung bei niedrigen Temperaturen der Außendurchmesser jeder der Seitenplatten gleich dem Außendurchmesser des Permanentmagneten. Bei niedrigen Temperaturen werden der äußere Umfangsabschnitt des Permanentmagneten und der äußere Umfangsabschnitt der Seitenplatten vom Halteelement zu einer Einheit verbunden. Auch wenn bei hohen Temperaturen der Außendurchmesser der Seitenplatten aufgrund eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer ist als der Außendurchmesser des Permanentmagneten, werden die Seitenplatten jeweils so verformt, daß ihr Durchmesser in Radialrichtung abnimmt. Es wird verhindert, daß der Außendurchmesser der Seitenplatten, die dem Permanentmagneten gegenüberliegen, größer ist als der Außendurchmesser des Permanentmagneten, so daß der Festsitz des Halteelements bezüglich des Permanentmagneten erhalten bleibt. Die von Zentrifugalkräften ausgelösten und auf den Permanentmagneten einwirkenden Zugspannungen können so kontrolliert werden, daß der Permanentmagnet nicht zerbricht.
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Bei dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp ist gemäß der vierten Erfindung der thermische Ausdehnungskoeffizient jeder der Seitenplatten größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Permanentmagneten. Bei niedrigen Temperaturen werden der äußere Umfangsabschnitt des Permanentmagneten und der äußere Umfangsabschnitt der Seitenplatten vom Halteelement zu einer Einheit verbunden. Bei hohen Temperaturen, wenn der Außendurchmesser der Seitenplatten aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer wird als der des Permanentmagneten, werden die Seitenplatten jeweils so verformt, daß ihr Durchmesser in Radialrichtung abnimmt. Es wird verhindert, daß der Außendurchmesser der Seitenplatten, die dem Permanentmagneten gegenüberliegen, größer wird als der Außendurchmesser des Permanentmagneten, so daß der Festsitz des Halteelements bezüglich des Permanentmagneten erhalten bleibt. Die von Zentrifugalkräften ausgelösten und auf den Permanentmagneten einwirkenden Zugspannungen können so kontrolliert werden, daß der Permanentmagnet nicht zerbricht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1(a) ist eine Schnittansicht, die den Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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1(b) ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in der 1(a).
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2 ist eine Schnittansicht durch eine der Seitenplatten bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3(a) ist eine Schnittansicht, die den Zustand einer Seitenplatte bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigen Temperatur zeigt. 3(b) ist eine Schnittansicht, die den Zustand einer Seitenplatte bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer hohen Temperatur zeigt.
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4 ist eine Teil-Schnittansicht, die den Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist eine Schnittansicht durch eine Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6(a) ist eine Schnittansicht, die den Zustand einer Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigen Temperatur zeigt. 6(b) ist eine Schnittansicht, die den Zustand einer Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer hohen Temperatur zeigt.
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7(a) zeigt einen Teil der herkömmlichen Rotoraufbauelemente bei einer niedrigen Temperatur. 7(b) zeigt einen Teil der herkömmlichen Rotoraufbauelemente bei einer hohen Temperatur.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden näher erläutert.
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Ausführungsform 1
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Mit Bezug zu den 1 bis 4 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1(a) ist eine Schnittansicht, die den Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 1(b) ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in der 1(a). Die 2 ist eine Schnittansicht durch eine der Seitenplatten bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 3(a) ist eine Schnittansicht, die den Zustand der Seitenplatte bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigen Temperatur zeigt. Die 3(b) ist eine Schnittansicht, die den Zustand der Seitenplatte bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer hohen Temperatur zeigt. Die Ausführungsform ist zum Beispiel anwendbar bei einem elektrischen Hochgeschwindigkeits-Synchronmotor vom Permanentmagnettyp oder einem elektrischen Rotations-Synchronmotor vom Permanentmagnettyp.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfaßt der Rotoraufbau 1 eine Rotorwelle 2, einen zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten 3 an der äußeren Umfangsfläche der Rotorwelle 2, Seitenplatten 4 aus Metall, wobei jede der Seitenplatten 4 mit jeweils einer der Endflächen des Permanentmagneten 3 in Kontakt steht, und einen zylindrisch ausgebildeten Haltering 5 an der äußeren Umfangsfläche des Permanentmagneten 3 und der äußeren Umfangsfläche der Seitenplatten 4, um den Permanentmagneten 3 zu verstärken.
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Jede der Seitenplatten 4 hat eine Ringform mit einer axialen Öffnung 4a im axialen Abschnitt der Seitenplatte 4. Die Rotorwelle 2 verläuft durch die axiale Öffnung 4a und ist mit einem Einpreßverfahren oder einem Schrumpfeinsetzverfahren so darin befestigt, daß die Seitenplatten 4 mit der Rotorwelle 2 eine Einheit bilden. Die Seitenplatten 4 sind so vorgesehen, daß sie bei niedriger Temperatur einen Außendurchmesser haben, der nahezu gleich dem Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 ist.
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In der Seitenfläche 4b der Seitenplatte 4, die dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegt, ist eine U-förmige Ringnut (im folgenden als ”U-förmige Nut” bezeichnet) 4c ausgebildet, die koaxial zu der axialen Öffnung 4a ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die U-förmige Nut 4c in einem Zwischenabschnitt zwischen dem Innendurchmesser der Seitenplatte 4 und dem Außendurchmesser der Seitenplatte 4 ausgebildet. Der Bodenbereich der U-förmigen Nut ist im Querschnitt gesehen U-förmig. Die Breite der U-förmigen Nut 4c in Radialrichtung ist entsprechend der Größe der Seitenplatte 4 geeignet bemessen.
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Der Haltering 5 hält den Permanentmagnet 3 und die Seitenplatte 4 als Ganzes zusammen, wozu der Haltering 5 durch Einpressen und Schrumpfeinsetzen auf den Permanentmagneten 3 und gleichzeitig auf die Seitenplatten 4 aufgesetzt wird. Mit anderen Worten ist der Haltering 5 ein Element, das den Permanentmagneten 3 und die Seitenplatten 4 als Einheit so zusammenhält, daß das am Permanentmagnet 3 wirkende Drehmoment über die Seitenplatten 4 auf die Rotorwelle 2 übertragen wird.
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Zwischen der Rotorwelle 2 und dem Permanentmagneten 3 ist ein Zwischenraum 6 mit einer Tiefe d vorgesehen, so daß der Permanentmagnet 3 nicht mit der Rotorwelle 2 in Kontakt steht.
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Im folgenden werden der Betrieb und die Auswirkungen der Ausführungsform beschrieben. Bei dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 bei niedriger Temperatur gleich dem Außendurchmesser jeder der Seitenplatten 4 ist. Wie innerhalb der gestrichelten Ellipse in der 3(a) gezeigt, wird bei niedriger Temperatur die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten 3 und die der Seitenplatte vom Haltering 5 so festgehalten, daß sie sich als Einheit bewegen.
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Wie innerhalb der gestrichelten Ellipse in der 3(b) gezeigt, ist bei hoher Temperatur aufgrund des Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Permanentmagnet 3 und den Seitenplatten der Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 größer als der Außendurchmesser der Seitenplatten 4, und jede der Seitenplatten 4 wird elastisch so verformt, daß durch die in der Seitenfläche der Seitenplatte 4, die dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegt, ausgebildete U-förmige Nut 4c die Außenseite der Seitenplatte 4 kleiner wird. Wie in der gestrichelten Ellipse dargestellt, wird daher der Außendurchmesser jeder der Seitenplatten 4 an der dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegenden Seite im Vergleich zum Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 nicht größer, so daß bezüglich des Permanentmagneten 3 und des Halterings 5 der Festsitz erhalten bleibt. Auch wenn sich der Rotoraufbau auf einer hohen Temperatur befindet, werden damit die Zugspannungen am Permanentmagnet 3 aufgrund der Zentrifugalkräfte so kontrolliert, daß der Permanentmagnet 3 keinen Schaden nimmt.
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Mit dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bleibt somit die Leistungsfähigkeit der sich drehenden Maschine vom Permanentmagnettyp in einem weiten Temperaturbereich erhalten. Die Herstellungseffizienz wird durch das praktische Herstellungsverfahren verbessert, und der Festsitz des Halterings 5 ist auch dann gesichert, wenn sich der Permanentmagnet 3 mit hoher Geschwindigkeit dreht. Es wird ein hervorragender Rotoraufbau vom Permanenttyp erhalten, der Drehmomente gut übertragen kann.
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Bei der obigen Ausführungsform ist die U-förmige Nut 4c im wesentlichen in einem Zwischenbereich zwischen dem Innendurchmesser der Seitenplatte 4 und dem Außendurchmesser der Seitenplatte 4 angeordnet. Die U-förmige Nut kann jedoch auch an einer anderen Stelle angeordnet werden. Möglich ist zum Beispiel eine Kerbe mit einer geeignet bemessenen C-förmigen Oberfläche an der Oberfläche der Seitenplatte 4, die dem Haltering 5 und einem Eckbereich des Permanentmagneten 3 gegenüberliegt, um an einer Stelle, die der Innenseite des Halterings 5 gegenüberliegt, einen Abstand zwischen dem Permanentmagnet 3 und der jeweiligen Seitenplatte 4 herzustellen. Bei einem solchen Aufbau ist die Kontaktfläche zwischen dem Haltering 5 und den Seitenplatten 4 zum Übertragen des Drehmoments des Permanentmagneten verringert, und es besteht die Gefahr, daß die Kraft des Halterings 5 zum Halten der Seitenplatte 4 abnimmt. Vorzugsweise wird daher zwischen der äußeren Umfangsfläche der Seitenplatte 4 und der inneren Umfangsfläche der Seitenplatte 4 mit einem bestimmten Abstand dazu die U-förmige Nut vorgesehen.
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Ausführungsform 2
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Mit Bezug zu den 4 bis 6 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 4 ist eine Teil-Schnittansicht, die den Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 5 ist eine Schnittansicht durch eine Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 6(a) ist eine Schnittansicht, die den Zustand der Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigen Temperatur zeigt. Die 6(b) ist eine Schnittansicht, die den Zustand der Seitenplatte bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer hohen Temperatur zeigt. Die zweite Ausführungsform umfaßt eine Mehrzahl von U-förmigen Nuten in den Seitenplatten 14 anstelle der Seitenplatten 4 der ersten Ausführungsform, die oben anhand der 1 bis 3 beschrieben wurde.
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Wie in den 4 und 5 gezeigt, sind die Seitenplatten 14 der zweiten Ausführungsform dafür vorgesehen, mit den beiden Endflächen des Permanentmagneten 3 in Kontakt zu stehen. Im Zentralbereich weist jede der Seitenplatten 14 eine axiale Öffnung 14a auf. Die Rotorwelle 2 ist durch ein Einpreßverfahren oder ein Schrumpfeinsetzverfahren in der axialen Öffnung 14a derart befestigt, daß sich die Seitenplatte 14 und die Rotorwelle 2 als Einheit bewegen. Bei niedriger Temperatur ist der Außendurchmesser der Seitenplatte 14 gleich dem Außendurchmesser des Permanentmagneten 3.
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In beiden Seitenfläche 14b und 14d der Seitenplatte 14 ist jeweils eine ringförmige U-förmige Nut (im folgenden als ”U-förmige Nut” bezeichnet) 14c und eine weitere ringförmige U-förmige Nut 14e koaxial zu der axialen Öffnung 14a ausgebildet. Die Breite der U-förmigen Nuten 14c und 14e in Radialrichtung ist jeweils entsprechend der Größe der Seitenplatte 14 geeignet bemessen.
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Der Durchmesser der U-förmigen Nut 14c und der Durchmesser der U-förmigen Nut 14e sind voneinander verschieden (in der 4 ist der Durchmesser der U-förmigen Nut 14e kleiner als der Durchmesser der U-förmigen Nut 14c). Mit anderen Worten sind die beiden U-förmigen Nuten bezüglich der Radialrichtung an verschiedenen Stellen ausgebildet, jeder Bodenbereich weist im Querschnitt eine U-Form auf.
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Hinsichtlich der anderen Elemente ist der Aufbau der zweiten Ausführungsform im wesentlichen der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Die Elemente der zweiten Ausführungsform haben daher auch die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Elemente der ersten Ausführungsform.
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Im folgenden werden der Betrieb und die Auswirkungen der zweiten Ausführungsform beschrieben. Bei dem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp gemäß der Ausführungsform sind in beiden Seitenflächen 14b, 14d der Seitenplatte 14 U-förmige Nuten 14c, 14e ausgebildet. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform kann sich bei der zweiten Ausführungsform die Breite der Seitenplatte 14 in radialer Richtung insgesamt verändern.
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Zum Beispiel können wie in der 6(a) gezeigt die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten 3 und die der Seitenplatte 4 vom Haltering 5 so verbunden werden, daß sie sich bei niedriger Temperatur als eine Einheit bewegen. Wie in der 6(b) gezeigt, ist bei einer hohen Temperatur der Außendurchmesser der Seitenplatte 14 wegen des Unterschieds in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer als der Außendurchmesser des Permanentmagneten 3. Die Seitenplatte 14 wird jedoch dabei elastisch so verformt, daß die Seitenplatte 14 bezüglich der Radialrichtung durch die U-förmigen Nuten 14c und 14e in der Seitenplatte 14 insgesamt kleiner wird.
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Wie beschrieben wird bei der zweiten Ausführungsform verhindert, daß eine Toleranz zwischen dem Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 und dem Außendurchmesser der Seitenplatte 14 auftritt, so daß das Phänomen, daß das am Permanentmagnet 3 wirkende Drehmoment nicht richtig auf die Rotorwelle 2 übertragen wird, weil der Außendurchmesser der Seitenplatten 14 kleiner ist als der Außendurchmesser des Permanentmagneten 3, und das Phänomen, daß die von den Zentrifugalkräften hervorgerufenen Zugspannungen am Permanentmagnet 3 nicht gut genug kontrolliert werden, nicht auftritt. Auch wenn die Rotorwelle 2 sich in einem weiten Temperaturbereich schnell dreht, ist der Festsitz des Halterings 5 am sich schnell drehenden Permanentmagnet 3 gesichert, und das am Permanentmagnet 3 wirkende Drehmoment wird zuverlässig auf die Rotorwelle 2 übertragen.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist in jeder Endfläche 14b (14d) jeder der Seitenplatten eine U-förmige Nut 14c (14e) vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann entsprechend der Größe der Seitenplatte 14 in beiden Endflächen 14b und 14d jeweils eine Mehrzahl von U-förmigen Nuten mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen werden. Diese anderen Anordnungen sind, wenn sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, ebenfalls akzeptabel.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung ist anwendbar für den Rotoraufbau für sich schnell drehende Maschinen vom Permanentmagnettyp. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung geeignet für sich drehende Maschinen vom Permanentmagnettyp, bei denen ein zylindrischer hohler Permanentmagnet am Umfang einer Rotorwelle angeordnet ist und an beiden Enden des Permanentmagneten durch ein Einpreßverfahren oder ein Schrumpfeinsetzverfahren ringförmige Seitenplatten aus Metall so befestigt sind, daß sie sich zusammen mit dem Permanentmagneten bewegen, wobei ein zylindrisch ausgebildeter Haltering aus nicht-magnetischem, hochfesten Material durch ein Einpreßverfahren oder ein Schrumpfeinsetzverfahren an der Rotorwelle angebracht wird, um das am Permanentmagnet wirkende Drehmoment stabil auch dann zur Rotorwelle zu übertragen, wenn der Permanentmagnet und die Rotorwelle nicht miteinander in Kontakt stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotoraufbau
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Permanentmagnet
- 4, 14
- Seitenplatte
- 4a, 14a
- axiale Öffnung
- 4b, 14b, 14d
- Endfläche
- 4c, 14c, 14e
- U-förmige Nut
- 5
- Haltering
- 6
- Zwischenraum
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Zusammenfassung
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Bei einem Rotoraufbau für eine sich drehende Maschine vom Permanentmagnettyp mit einem zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten (3), der am äußeren Umfangsabschnitt einer Rotorwelle (2) befestigt ist, um das am Permanentmagneten (3) wirkende Drehmoment auf die Rotorwelle (2) zu übertragen, umfaßt der Rotoraufbau des weiteren zwei Seitenplatten (4) und einen Haltering (5). Jede Seitenplatte weist eine axiale Öffnung (4a) auf, in die die Rotorwelle (2) so eingesetzt ist, daß sie sich zusammen mit den Seitenplatten als Ganzes bewegt, wobei die Seitenplatten (4) einander gegenüberliegend an den beiden Endfläche des Permanentmagneten (3) angeordnet sind. In der Endfläche (4b) jeder Seitenplatte (4), die zum Permanentmagneten (3) weist, ist koaxial zu der axialen Öffnung (4a) eine U-förmige Ringnut (4c) ausgebildet. Der Haltering (5) ist zylindrisch ausgebildet und deckt die Umfangsabschnitte des Permanentmagneten (3) und der Seitenplatten (4) ab und verbindet den Permanentmagneten (3) und die Seitenplatten (4) so, daß sie sich als eine Einheit bewegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 03-159533 [0006]
- JP 2005-312250 [0006]
- JP 2002-354724 [0006]
- JP 2007-240451 [0013]
