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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufnahmeelement zum Aufnehmen von Magneten in einer elektrischen Maschine, sowie ein Bauteil, insbesondere einen Läufer, mit einem solchen Aufnahmeelement.
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Bei der Befestigung von Permanentmagneten auf Läufern (je nach Art der Maschine auch auf Ankern bzw. Rotoren) elektrischer Maschinen besteht die Gefahr, dass das spröde Sintermaterial der Magnete bricht, was insbesondere durch thermische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Magnet- und Läufermaterial begünstigt wird. Werden die Magnete nur durch eine Klebverbindung auf dem Läufer befestigt, gerät das Magnetmaterial bei einem Bruch in den Luftspalt der Maschine und die Maschine fällt aus.
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Durch die
WO 2007/119952 A1 ist bekannt, zur Aufnahme von bevorzugt trapezförmig ausgestalteten Permanentmagnete Aufnahmeelementen vorzusehen, die formschlüssig in korrespondierende Schwalbenschwanznuten eines Läuferelements einbringbar sind. Hieraus ergibt sich allerdings das Problem, dass die durch die Umdrehung des Läufers entstehende Krafteinwirkung der Magneten auf die Aufnahmeelemente bzw. die Seitenkanten der Schwalbenschanznuten nur unzureichend kompensiert werden kann, was nach einer gewissen Laufzeit des Läufers zum Bruch der Permanentmagneten führen kann.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2008 023 999 A1 offenbart hierzu ein Vorrichtung zur Halterung von Magneten, insbesondere von Magneten in einem bewegten Bauteil, insbesondere in einem Rotor bzw. Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Blechpaket eines Elektromotors, mit einer Haltetasche, in die ein Magnet eingesetzt ist, der mittels eines Klebemittels befestigt ist, das sich beim Aushärten in einem vorbestimmten Ausmaß ausdehnt und das ein Treibmittel zum Aufschäumen eines Klebstoffs enthält. Nachteilig hierbei ist, dass die Permanentmagneten in den fest im Rotorpaket integrierten, durch Stanztechnik hergestellten Haltetaschen eingefasst sind. Dies resultiert einerseits in einer geringen Flexibilität bei der Montage eines entsprechenden Rotors bzw. Generators. Darüber hinaus können Spannungen, die aufgrund von Zentrifugalkräften und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Magnete und des Rotorkerns auftreten, durch den Klebstoff nur begrenzt kompensiert werden.
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Ausgehend von der vorstehenden Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Befestigung für Magneten an einem Bauteil, insbesondere einem Läufer, einer elektrischen Maschine vorzuschlagen, durch welche die Magneten sicher gehalten sind und die Bruchgefahr für die Magneten minimiert ist. Darüber hinaus sollten die Magneten in der elektrischen Maschine möglichst einfach und flexibel (de)montierbar sein.
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Zur Lösung dieses Problems ist ein erfindungsgemäßes Aufnahmeelement zum Aufnehmen von wenigstens einem Magneten in einer elektrischen Maschine, insbesondere im radialen Randbereich eines Läufers (radial innerer Randbereich eines Außenläufers oder radial äußerer Randbereich eines Innenläufers), vorgesehen, wobei der wenigstens eine Magnet in dem separat zum Läufer vorgesehenen Aufnahmeelement vollständig umschlossen und durch ein Verbindungsmittel schwimmend gelagert ist. Ferner ist zur Lösung des Problems ein Bauteil, insbesondere ein Läufer, einer elektrischen Maschine mit einem Grundkörper und an dem Grundkörper mittels wenigstens einem Aufnahmeelement befestigten Magneten vorgesehen, wobei in einem der Aufnahmeelemente wenigstens ein Magnet vollständig umschlossen und durch ein Verbindungsmittel schwimmend gelagert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aufnahmeelements und Bauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 5 und 7 bis 13.
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Dadurch, dass der Magnet vollumfänglich in einer Kammer des Aufnahmeelements schwimmend gelagert ist, wobei mit schwimmend die Einbettung in einem insbesondere nichtkristallinen bzw. weichelastischen Klebstoff, innerhalb des Aufnahmeelements gemeint ist, kann die Kompensation der thermischen Ausdehnungsunterschiede optimal gewährleistet werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch Einbettung des Magneten in das Aufnahmeelement, das bevorzugt aus einem faserverstärktem Polymer ausgebildet ist, auch ein Klebstoff verwendet werden kann, der den Magneten sonst nicht tragen könnte, da er besonders bei höheren Temperaturen kriechen würde, wodurch unter Last die Verformungen immer größer werden würde und es zum Bruch der Klebverbindung käme. Bei der vorliegenden Erfindung besteht diese Gefahr nicht.
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Gleichwohl lässt der kriechfähige Klebstoff große Schubverformungen zwischen den Innenflächen der Kammer und dem Magneten zu, ohne dass dabei Schubspannungen entstehen, die den Magneten oder das Polymer-Aufnahmeelement beschädigen könnten.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere einzelne Magneten, bezüglich ihrer Polarität gleich ausgerichtet, im Aufnahmeelement in separaten, insbesondere trapezförmigen Hohlräumen aufgenommen. Dadurch kann aus einer Mehrzahl von kleineren Einzelmagneten insbesondere bei größer dimensionierten elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel Windkraftgeneratoren, vorteilhaft ein einzelner größerer Magnet ausgebildet werden.
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Darüber hinaus kann die Materialauswahl und/oder Dimensionierung des Aufnahmeelements derart vorgenommen werden, dass die bei einer Temperaturänderung auftretenden Verformungsdifferenzen zwischen Magneten, Aufnahmeelement, Verbindungsmittel und Grundkörper optimal kompensiert werden (nachfolgend im Detail beschrieben).
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Schnittansicht eines Teils eines Läufers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht eines Teils des Läufers gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine Schnittansicht des Läufers gemäß der alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
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4 eine perspektivische Schnittansicht eines Aufnahmeelements gemäß der alternativen Ausführungsform der Erfindung mit darin aufgenommenen Magneten.
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1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Teils eines Läufers 4 bzw. Rotors, der das Aufnahmeelement 1, einen darin aufgenommenen Permanentmagneten 3, und einen Grundkörpers 2 enthält.
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Wie in 1 dargestellt ist der im Querschnitt im wesentlichen trapezförmig ausgebildete Permanentmagnet 3, nachfolgend vereinfacht als Magnet 3 bezeichnet, in eine entsprechend ausgebildeten Tasche eines Aufnahmeelements 1 eingebracht, und dieses wiederum in eine Ausnehmung in Form einer Schwalbenschwanznut im Grundkörper 2 des Läufers 4 einer elektrischen Maschine. Durch eine derartige Ausgestaltung werden Magnet 3 und Aufnahmeelement 4 trotz der während des Betriebs des Läufers auftretenden enormen Zentrifugalkräfte sicher am Grundkörper gehalten.
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Um den Magneten 3 zusätzlich im Aufnahmeelement zu fixieren, und darüber hinaus eine Bruchgefahr des Magneten 3 zu minimieren, ist der Magnet 3 im Aufnahmeelement schwimmend gelagert, wobei mit schwimmend insbesondere die Einbettung in einen nichtkristallinen Klebstoff innerhalb des Aufnahmeelements 1 gemeint ist.
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Alternativ zur trapezförmigen Ausgestaltung des Gefüges aus Magnet 3, Aufnahmeelement 1 und korrespondierender Schwalbenschwanznut ist auch eine beliebige andere Ausführungsform, mittels welcher das Gefüge Kraft- und Formschlüssig gegen die wirkende Zentrifugalkraft am Grundkörper 2 gehalten werden kann, denkbar.
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Zur Realisierung der schwimmenden Lagerung des bzw. der Magneten 3 werden diese vor dem Einbringen in das Aufnahmeelement 1 mit dem vorstehend beschriebenen nichtkristallinen Klebstoff 5, der sich oberhalb der Glasübergangstemperatur, d. h. im Erweichungsbereich, befindet, oder einer sonstigen sehr weichelastischen polymeren Beschichtung beschichtet. Dabei sollte die Glasübergangstemperatur des Klebstoffs 5 unterhalb der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine liegen. Vorzugsweise liegt die Glasübergangstemperatur aber noch unterhalb der Umgebungstemperatur (Temperatur der abgekühlten Maschine bei Stillstand), so dass der Klebstoff 5 bereits nichtkristallin ist, während die Maschine anfährt und noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Hierfür kann beispielsweise ein Zweikomponentensilikon (z. B. Loctite 5607 A&B) verwendet werden. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen schwimmenden Lagerung ist ein solcher nichtkristalliner Klebstoff 5 gegenüber z. B. als Klebstoff verwendetem Epoxidharz bezüglich der niedrigen Glasübergangstemperatur und des niedrigen E-Moduls von entscheidendem Vorteil.
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Denkbar ist auch, einen Magneten 3 mit Distanzstücken (nicht dargestellt), die beispielsweise aus dem Klebstoff 5 bestehen können, in das Aufnahmeelement 1 einzusetzen, das Aufnahmeelement 1 zu verschließen und durch ein Loch den Zwischenraum mit dem Klebstoff 5 zu füllen, während an einer weiteren, beispielsweise gegenüberliegenden Seite die Luft aus einem zweiten Loch austritt. Das Einpressen des Klebstoffes wäre zu beenden, nachdem am Entlüftungsloch der Klebstoff 5 austritt. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Magnet 3 beim Einbringen des Klebstoffs 5 derart gegen eine Wandung des Aufnahmeelements 1 gepresst wird, dass an dieser Fläche kein Klebstoff zwischen Magnet 3 und Aufnahmeelement 1 fließen kann.
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Hinsichtlich der Lagerung der Aufnahmeelemente 1 in den Schwalbenschwanznuten des Grundkörpers 4 ist zu erwähnen, dass die unterschiedliche axiale Wärmedehnung zwischen Grundkörper und Aufnahmeelement durch freies Gleiten in der formschlüssigen Schwalbenschwanznut nicht behindert wird, so dass keine tangentialen Spannungen an den Fügeflächen wirken können. Das Aufnahmeelement 1 muss lediglich an einer Stelle axial gesichert werden, damit es nicht axial aus der Nut herauswandern kann. Ferner könnte auch hier ein besonders weichelastischer Klebstoff oder der vorstehend erwähnte nichtkristalline Klebstoff verwendet werden, der Mikrobewegungen, die durch Schwingungen entstehen können, verhindert oder zumindest dampft, der jedoch keine nennenswerten Schubspannungen überträgt.
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Wie in 2 dargestellt kann anstelle eines einzelnen größeren Magneten 3 auch eine Mehrzahl von kleineren, bezüglich ihrer Polarität gleich ausgerichteten Magneten 3 in das Aufnahmeelement 1 eingebracht sein. Hierbei sind die Magneten 3 bevorzugt derart versetzt angeordnet, dass in Radialrichtung des Läufers 4 keine magnetische Lücke entsteht. Die Anzahl und die körperliche Ausrichtung der Magnete 3 kann hierbei beliebig variiert werden.
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3 zeigt eine Gesamtansicht des Läufers 4 in einer Schnittdarstellung, wobei die Magnete 3 wie vorstehend bezüglich 2 beschrieben in den Aufnahmeelementen 1 eingebracht sind
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4 zeigt das Aufnahmeelement 1 mit darin vollumfänglich aufgenommenen Magneten gemäß der vorstehend bezüglich 2 beschriebenen Ausführungsform.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Dimensionierung des Aufnahmeelements 1 anhand einer eindimensionalen Betrachtungsweise bezüglich der Wärmeausdehnung beispielhaft erläutert.
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Grundgedanke ist es, die Dicke Bc des Aufnahmeelements zwischen dem Grundkörper und einem der Magneten auf Höhe der radial äußersten Kante (bei Außenläufern die entsprechende radial innerste Kante) des Grundkörpers zur Kompensation der Verformungsdifferenzen optimal auszulegen.
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Hierbei wird bei gleicher Temperatur der Bauteile grundlegend davon ausgegangen, dass BFe·αFe = BM·αM + 2Bc·αc (I) ist, wobei BFe die Breite einer Schwalbenschwanznut im Grundkörper 2 in Tangentialrichtung auf Höhe der radial äußersten Kante des Grundkörpers, BM die Breite eines Magneten auf Höhe der radial äußersten Kante des Grundkörpers 2, αFe der Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers 2, αM der Ausdehnungskoeffizient des einen Magneten 3, und αc der Ausdehnungskoeffizient das Aufnahmeelements 1 ist.
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Zudem gilt die Beziehung
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Durch ineinander Einsetzen der vorstehend aufgeführten Gleichungen (I) und (II) ergibt sich nachfolgende Gesamtgleichung: BFe·αFe = BM·αM + (BFe – BM)·αc (III)
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Umgestellt nach B
Fe bzw. B
M ergibt dies:
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Durch die bereits vorstehend erwähnte Beziehung Bc = BFe – BM kann nun abhängig vom jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten α die gesuchte Dicke Bc ermittelt werden.
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Die vorstehend dargestellten Schritte zur optimalen Dimensionierung des Aufnahmeelements 1 können nicht nur an den in 1 und 2 dargestellten Stellen des Läufers 5 zur Bestimmung der Dicke Bc, sondern an beliebigen Stellen des Läufers, d. h. des Gefüges aus Grundkörper 2, Aufnahmeelement 1, Verbindungsmittel 5 und Magneten 3 durchgeführt werden, um dadurch das gesamte Aufnahmeelement zur Kompensation der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten optimal zu dimensionieren.
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Obwohl bezüglich der 1 bis 4 insbesondere ein Innenläufer beschrieben ist, gilt Vorstehendes in entsprechender Weise unter anderem auch für einen Außenläufer in elektrischen Maschinen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/119952 A1 [0003]
- DE 102008023999 A1 [0004]
