DE3622231A1

DE3622231A1 - Permanentmagnetrotor fuer elektrische maschinen

Info

Publication number: DE3622231A1
Application number: DE19863622231
Authority: DE
Inventors: Eckerhard Dr Stroetgen; Manfred Gaiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1988-01-07

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Permanentmagnetrotor für elektrische Maschinen, insbesondere für elektro nisch kommutierte Gleichstrommotoren, der im Oberbe griff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei Permanentmagnetrotoren bereitet das Befestigen der schalenförmigen Permanentmagnetsegmente an der Rotorwelle nicht unerhebliche Probleme, da einer seits die an den Permanentmagnetsegmenten angreifen den radialen Flieh- und tangentialen Beschleunigungs kräfte beträchtlich sind und andererseits der sehr spröde Magnetwerkstoff eine Bearbeitung der Permanent magnetsegmente zwecks Anbringung von Befestigungsmit teln nicht erlaubt.

Bei einem bekannten Permanentmagnetrotor der eingangs genannten Art sind zum Auffangen der Beschleunigungs kräfte, die eine tangentiale Verschiebung der Perma nentmagnetsegmente relativ zur Rotorwelle, also in deren Umfangsrichtung, hervorrufen, die Permanent magnetsegmente unmittelbar auf die Rotorwelle aufge klebt. Eine zur Rotorache koaxiale Hülse aus nicht magnetischem Material umschließt die Permanentmagnet segmente auf deren von der Rotorwelle abgekehrten Außenflächen und fängt damit die Fliehkräfte auf.

Die Montage solcher Permanentmagnetrotoren ist relativ zeitaufwendig, da der Kleber zwischen Rotorwelle und den daran exakt ausgerichteten Permanentmagnetsegmen ten in der Montagevorrichtung erst aushärten muß, be vor in einem weiteren Arbeitsgang die Hülse aufgesetzt werden kann. Außerdem gibt die Klebung nur für kleinere, mittelschnell drehende Motoren langfristig eine aus reichende Sicherheit gegen eine tangentiale Verschie bung der Permanentmagnetsegmente. Extreme Betriebs bedingungen müssen dabei ausgeschlossen werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Permanentmagnetrotor mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer einfachen rationellen Fertigung. Das positionie ren von Hülse, Permanentmagnetsegmenten und Rotorwelle sowie das Befestigen der Permanentmagnetsegmente er folgt in einem einzigen Arbeitsgang. Die Aushärtung des Kunststoffes kann außerhalb der Montagevorrichtung erfolgen, so daß ein hoher Stückdurchsatz in der Mon tagevorrichtung erzielt wird. Aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleranzen sind immer Hohlräume und Luftspalte zwischen den Permanentmagnetsegmenten, der Hülse und der Rotorwelle vorhanden, die das Kunststoffmaterial beim Vergießen vollständig ausfüllt. Die nach Aushärten des Kunststoffmaterials sich bildenden Kunststoff schichten sichern die Permanentmagnetsegmente gegen Verdrehung in Tangentialrichtung. Die Fliehkräfte werden nach wie vor von der Hülse aufgefangen. Als Kunststoffmaterial wird dabei vorteilhaft Gießharz verwendet, das einerseits kleinste Hohlräume voll ständig ausfüllt und zugleich eine gewisse Klebe wirkung zeigt, so daß zu dem durch die Kunststoff schichten gegebenen Formschluß zwischen Rotorwelle und Permanentmagnetsegmenten und Hülse noch eine zu sätzliche Klebekraft hinzutritt.

Der erfindungsgemäße Rotor eignet sich hervorragend für kleinere schnellaufende Motoren, da die Kunst stoffverspritzung der Permanentmagnetsegmente an der Rotorwelle und Hülse und der dadurch gewonnene Form schluß große Beschleunigungskräfte aufzunehmen ver mag und dadurch eine Relativverschiebung der Per manentmagnetsegmente auf der Rotorwelle zuverlässig verhindert ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ver besserungen des im Anspruch 1 angegebenen Permanent magnetrotors möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Die Abschlußringe dienen zugleich zum Auswuchten des Rotors, indem an entspre chenden Stellender Ringe mehr oder weniger große Boh rungen eingebracht werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 5. Durch diese Maß nahmen wird der Formschluß zwischen den Permanentmagnet segmenten und der Rotorwelle verbessert, so daß höhere Beschleunigungskräfte aufgenommen werden können.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 6, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 7 oder 8. Diese Ausführungsform wird bei größeren schnellaufenden elektrischen Maschinen bevorzugt. Die hier auftretenden extremen Beschleuni gungskräfte werden weitgehend von den Sicherungsele menten aufgefangen, die größere Scherkräfte aufnehmen können. Zugleich pressen solche Sicherungselemente, insbesondere in der Ausführungsform gemäß Anspruch 8, bei der Montage die Permanentmagnetsegmente gegen die Hülse und erleichtern ein Positionieren der Permanent magnetsegmente auf der Rotorwelle.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des erfin dungsgemäßen Rotors ist in Anspruch 12 angegeben.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Permanentmagnet rotors gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel,

Fig. 2 einen Querschnitt des Permanentmagnet rotors in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines Permanentmagnet rotors nach einem weiteren Ausführungsbei spiel gemäß Schnittlinie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 einen Querschnitt des Permanentmagnet rotors gemäß Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht des Permanentmagnetrotors in Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Längsschnitt zu sehende Permanent magnetrotor für einen elektronisch kommutierten Gleich strommotor als Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine besteht aus einer massiven Rotorwelle 10 aus Stahl und drei unmittelbar auf der Rotorwelle 10 auf liegenden schalenförmigen Permanentmagnetsegmenten 11. Die Sicherung der Permanentmagnetsegmente 11 gegen Fliehkräfte übernimmt eine zur Rotorachse 12 koaxiale Hülse 13 aus nichtmagnetischem Material. Die Hülse 13 ist auf beiden Stirnseiten mit jeweils einem Abschluß ring 14, 15 abgedeckt. Die ebenfalls aus nichtmagneti schem Material bestehenden Abschlußringe 14 sind auf die Rotorwelle 10 aufgepreßt oder aufgeschrumpft und werden von der Hülse 13 am Außenrand übergriffen. Das nichtmagnetische Material der Abschlußringe 14, 15 weist den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Hülse 13 und die Rotorwelle 12 auf.

Durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen verbleiben zwischen den Permanentmagnetsegmenten 11 und der Rotor welle 10 einerseits und zwischen den Permanentmagnet segmenten 11 und der Hülse 13 andererseits sowie zwi schen den Permanentmagnetsegmenten 11 selbst, Spalte und Hohlräume. Diese Spalte und Hohlräume sind mit einem Kunststoffmaterial ausgefüllt, das aus einer gieß- oder spritzbaren flüssigen Verarbeitungsphase ausgehärtet ist und im ausgehärteten Zustand Kunst stoffschichten bildet, die in Fig. 1 und 2 mit 16 als verstärkte Striche angedeutet sind. Solche Kunststoff schichten 16 bilden sich auch zwischen den Stirnseiten der permanentmagnetsegmenten 11 und den Ringflächen der Abschlußringe 14 bzw. 15 aus. Als Kunststoff material wird vorzugsweise Gießharz verwendet, da es die vorhandenen Spalte und Hohlräume zu 100% aus füllt und zudem noch eine gewisse Klebewirkung zeigt. Möglich, wenn auch nicht so vorteilhaft, ist die Ver wendung von Thermoplast.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Rotorwelle 10 mit einer der Anzahl der über den Rotorwellenumfang an einandergereihten Permanentmagnetsegmenten 11 ent sprechenden Zahl, hier drei, von gleichmäßig über den Rotorwellenumfang verteilten Längsnuten 17 versehen. Bei der Montage werden die Permanentmagnetsegmente 11 auf der Rotorwelle 10 derart positioniert, daß jeweils zwei Permanentmagnetsegmente 11 längs einer Längsnut 17 aneinanderstoßen. Beim Verfüllen des flüssigen Kunststoffmaterials werden diese Längsnuten 17 auch von dem Kunststoffmaterial, hier Gießharz, ausgefüllt, wodurch der Formschluß der sich bildenden Kunststoff schichten 16 zwischen Rotorwelle 10 und Permanentmag netsegmenten 11 einerseits und Kunststoffhülse 13 andererseits wesentlich verbessert wird.

Zur Aufnahme noch höherer Beschleunigungskräfte können - wie in Fig. 2 angedeutet - in den mit halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Längs nuten 17 Sicherungsstäbe 18 aus Kunststoff oder Metall eingelegt werden. Die Sicherungsstäbe 18 stehen dabei über die Rotorwelle 10 vor und ragen zwischen die Stoßflächen der Permanentmagnetseg mente 11 hinein. Sie bilden einen zusätzlichen Form schluß zwischen der Rotorwelle 10 und den Permanent magnetsegmenten 11 und nehmen dabei den größten Teil der an den Permanentmagnetsegmenten angreifenden Beschleunigungskräfte auf.

Zur Montage des vorstehend beschriebenen Permanent magnetrotors wird zunächst auf die Rotorwelle 10 einer der beiden Abschlußringe 14, 15 aufgepreßt oder aufgeschrumpft und auf diesem die Hülse 13 befestigt. Diese Befestigung kann ebenfalls durch Aufpressen oder Aufschrumpfen der Hülse 13 auf den Abschlußring 14 bzw. 15 erfolgen, doch ist auch eine Befestigung mittels Umbördelung möglich. Die so vor bereitete Rotorwelle 10 mit Hülse 13 wird aufrecht in eine Montagevorrichtung derart eingesetzt, daß die offene Stirnseite der Hülse 13 oben liegt. Von der offenen Stirnseite her wird nunmehr die Hülse 13 mit einer vorgegebenen Menge Gießharz zum Teil gefüllt. Danach werden die Permanentmagnetsegmente 11 positions richtig in die Hülse 13 eingeschoben, wobei ihre Stoß stellen mit den Längsnuten 17 fluchten. Wenn erforder lich, werden nunmehr die Sicherungsstäbe 18 in die Längsnuten 17 eingeschoben, wodurch die Permanent magnetsegmente 11 an die Hülse 13 angepreßt und gleichzeitig exakt positioniert werden. Beim Ein schieben der Permanentmagnetsegmente 11 in die teil weise mit Gießharz gefüllte Hülse 13 steigt das Gießharz in der Hülse 13 nach oben und füllt sämt liche zur Verfügung stehenden Hohlräume und Spalte zwischen Rotorwelle 10, Permanentmagnetsegmenten 11, Hülse 13 und Abschlußring 14 bzw. 15 aus. Am Schluß wird der zweite Abschlußring 14 bzw. 15 aufgesetzt und in gleicher Weise auf der Rotorwelle 10 be festigt. Der fertig montierte Rotor kann nunmehr der Montagevorrichtung entnommen und zur Aushärtung ab seits von der Montagevorrichtung gelagert werden.

Der in Fig. 3-5 dargestellte Permanentmagnetrotor stimmt in seinem grundsätzlichen Aufbau mit dem vorstehenden Rotor überein, so daß gleiche Bauteile mit gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen sind. Auf der massiven Rotorwelle 110 sind hier insgesamt sechs schalenförmige Permanentmagnet segmente 111 bzw. 111′ unmittelbar aufgesetzt. Je weils drei Permanentmagnetsegmente 111 bzw. 111′ um schließen aneinandergereiht die Rotorwelle 110. Je weils zwei Permanentmagnetsegemente 111 bzw. 111′ liegen in Achsrichtung der Rotorwelle 110 hinterein ander. Zum Auffangen der Fliehkräfte ist wiederum eine zur Rotorachse 112 koaxiale Hülse 113 ange ordnet, welche die Permanentmagnetsegmente 111 und 111′ auf ihrer außenliegenden Oberfläche umschließt. Die Hülse 113 ist auf beiden Seiten mit je einem Abschlußring 114 bzw. gedeckt, die wiederum auf die Rotorwelle 110 aufgeschrumpft oder aufgepreßt sind.

Die Rotorwelle 110 weist über den Rotorwellenumfang gleichmäßig verteilte Längsnuten 117 mit kreissegmentför migem Querschnitt auf. Die Anzahl der Längsnuten, hier drei, entspricht der Anzahl der über den Rotorwellen umfang aneinandergereihten Zahl von Permanentmagnet segmenten 111 bzw. 111′. Die Permanentmagnetsegmente 111 bzw. 111′ sind an ihren in Rotorwellenumfangs richtung aneinanderstoßenden Seitenflächen 119 bzw. 120 im außen- und innenliegenden Kantenbereich der art abgeschrägt, daß zwei aneinanderstoßende Seiten fläche 119 und 120 der Permanentmagnetsegmente 111 bzw. 111′ jeweils zwei radial mit ihren Spitzen ein ander gegenüberliegende Aussparungen 121 bzw. 122 freigeben (Fig. 4).

In die kreissegmentförmigen Längsnuten 117 sind als zusätzliche Sicherungselemente für die Permanentmag netsegmente 111 bzw. 111′ federnde Längsstege 123 eingelegt. Diese Längsstege 123 können aus Metall oder Kunststoff bestehen und sind durch mittige Ab winkelung eines ebenen Kunststoff- oder Metallstreifens zu einem spitzwinkeligen Zweischenkelprofil herge stellt. Die Längsstege 123 stützen sich einerseits am Nutgrund 124 der Längsnuten 117 und andererseits an den die innere Aussparung 122 bildenden Schrägen an den Seitenflächen 119 bzw. 120 der Permanentmagnet segmente 111 bzw. 111′ ab. Dadurch werden die Permanent magnetsegmente 111 bzw. 111′ an die Innenwand der Hülse 113 angepreßt und bei der Montage automatisch zentriert. Die verbleibenden Spalte und Hohlräume zwischen den Permanentmagnetsegmenten 111, 111′, der Hülse 113 und der Rotorwelle 110 sowie die Längsnuten 117 und die Aussparungen 121 und 122 zwischen den Permanentmagnet segmenten 111 bzw. 111′ sind in gleicher Weise wie bei dem Rotor in Fig. 1 und 2 mit Kunststoffmaterial, vor zugsweise Gießharz, ausgefüllt, das aus seiner flüs sigen Verarbeitunsphase ausgehärtet ist. Die von dem Kunststoffmaterial im ausgehärteten Zustand gebildeten Kunststoffschichten 116 sind in Fig. 4 durch verstärkte Linien bzw. durch Punktierung im Bereich der Längs nuten 117 und der Aussparungen 121 und 122 symbo lisiert. Die Montage des Rotors gemäß der Darstel lung in Fig. 3-5 erfolgt in gleicher Weise wie die des zu Fig. 1 und 2 beschriebenen Rotors, so daß insoweit auf diese Ausführungen verwiesen wird.

Claims

1. Permanentmagnetrotor für elektrische Maschinen, insbesondere für elektronisch kommutierte Gleich strommotoren, mit einer Rotorwelle, mit auf der Rotorwelle aufliegenden Permanentmagnetsegmen ten und mit einer zur Rotorachse koaxialen, die Permanentmagnetsegmente umschließenden Hülse aus nichtmagnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Permanentmagnetsegmenten (11; 111, 111′) und der Rotorwelle (10; 110) einerseits und der Hülse (13; 113) andererseits sowie zwischen den Per manentmagneten (11; 111, 111′) selbst vorhandene Spalte und Hohlräume mit einem Kunststoffmaterial (16; 116) ausgefüllt sind, das aus einer gieß- oder spritzbaren flüssigen Verarbeitungsphase ausge härtet ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hülse (13; 113) auf beiden Stirnseiten mit jeweils einem Abschlußring (14, 15; 114, 115) aus nichtmagne tischem Material abgedeckt ist, der vorzugs weise auf die Rotorwelle (10; 110) aufgepreßt oder aufgeschrumpft ist.

3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abschluß ringe (14, 15; 114, 115) den gleichen Wärmeaus dehnungskoeffizienten wie die Hülse (13; 113) und die Rotorwelle (12; 112) aufweisen.

4. Rotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen den Permanentmagnetsegmenten (11; 111, 111′) und den Abschlußringen (14, 15; 114, 115) verbleibende Ringspalte mit dem Kunststoffmaterial (16;116) ausgefüllt sind.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1-4, da durch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (10; 110) eine der Anzahl der über den Rotorwellenumfang aneinandergereihten Perma nentmagnetsegmente (11; 111, 111′) entsprechende Zahl von gleichmäßig über den Rotorwellenumfang verteiltenLängsnuten (17; 117) aufweist und daß die Permanentmagnetsegmente (11; 111, 111′) derart auf der Rotorwelle (10; 110) ausgerichtet sind, daß jeweils zwei Permanentmagnetsegmente (11; 111, 111′) längs einer Längsnut (17; 117) aneinander stoßen.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Längsnuten (17; 117) Sicherungselemente (18; 123) gegen tangentiale Verdrehung der Permanentmagnetsegmente (11; 111, 111′) relativ zur Rotorwelle (10; 110) einliegen, die zumindest teilweise die Längsnuten (17; 117) ausfüllen und über die Rotorwelle (10; 110) ra dial vorstehen.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsnuten (17) einen halbkreisförmigen Querschnitt auf weisen und daß die Sicherungselemente als Stäbe (18) kreisförmigen Querschnitts ausge bildet sind.

8. Rotor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsnuten (117) einen etwa kreissegmentförmigen Quer schnitt aufweisen, daß die Permanentmagnet segmente (111, 111′) an ihren in Rotorwellen umfangsrichtung aneinanderstoßenden Seiten flächen (119, 120) im außen- und innenliegenden Kantenbereich derart abgeschrägt sind, daß zwei aneinanderstoßende Seitenflächen (119, 120) der Permanentmagnetsegmente (111, 111′) jeweils zwei radial mit ihren Spitzen einander gegen überliegende Aussparungen (121, 122) freigeben, und daß die Sicherungselemente als federnde Längsstege (123) ausgebildet sind, die sich einerseits am Nutgrund (117) und andererseits in der inneren Aussparung (122) an jeweils zwei Permanentmagnetsegmenten (111, 111′) abstützen und letztere an die Hülse (113) andrücken.

9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsstege (123) aus Metall oder Kunststoff bestehen.

10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsstege (123) durch mittige Abwinkelung eines ebenen Kunststoff- oder Metallstreifens zu einem spitz winkeligen Zweischenkelprofil hergestellt sind.

11. Rotor nach einem der Ansprüche 1-10, da durch gekennzeichnet, daß als Kunststoffmaterial Gießharz verwendet wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Rotorwelle (10; 110) einer der beiden Abschlußringe (14, 15; 114, 115) mit darauf aufsitzender Hülse (13, 113) aufgeschrumpft oder aufgepreßt wird, daß von der offenen Stirnseite her die Hülse (13; 113) mit einer vorgegebenen Menge in seiner flüssigen Verarbeitungsphase befindlichem Kunststoffmaterial teilweise ge füllt wird, daß danach die Permanentmagnetsegmente (11; 111, 111′) in die Hülse (13; 113), ggf. bei gleichzeitigem oder nachfolgendem Einlegen der Sicherungselemente (18; 123), axial bis zum An schlag an den Abschlußring (14, 15; 114, 115) ein geschoben werden, und daß an der noch offenen Stirnseite der Hülse (13; 113) der zweite Abschluß ring (14, 15; 114, 115) bis zur Anlage an der Stirn seite der Permanentmagnetsegmente (11; 111, 111′) eingesetzt und auf der Rotorwelle (10; 110) auf geschrumpft bzw. aufgepreßt wird.