DE4200239C2 - Rotor für eine elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ro­ tor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine stromrichtergespeiste Synchronmaschine nach dem Transversalflußprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1. Eine nach diesem Wirkprinzip aufgebaute Maschine ist aus der DE-PS 37 05 089 bekannt.

Das sogenannte Transversalflußkonzept beruht darauf, daß die Erregung des Statorfeldes nicht in Längsrichtung der Maschi­ ne, also parallel zur Rotordrehachse erfolgt, sondern in Um­ fangsrichtung, d. h. entlang der Bewegungsrichtung bei Rota­ tion des Rotors. Der Rotor umfaßt dazu mindestens eine Pol­ struktur aus jeweils zwei nebeneinanderliegenden Reihen aus in Umfangsrichtung wechselweise magnetisierten Permanentmag­ neten und Weicheisenelementen, wobei die beiden Reihen durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leiten­ dem Material getrennt sind. Diese Polstruktur hat im Prinzip trommelförmige Gestalt.

Der Stator besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich einem radial außerhalb der Polstruktur angeordneten Außensta­ tor und einem radial innerhalb der Polstruktur angeordneten Innenstator. Jeder Statorteil weist Weicheisen-Ankerelemente auf, die im wesentlichen U-förmig ausgebildet sind und deren offene Schenkel den Magneten des Rotors jeweils von radial in­ nen bzw. radial außen her über einen Luftspalt gegenüberste­ hen. Zur Erregung weist die bekannte Maschine für jeden Sta­ torteil jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Ring­ wicklung auf.

Mit dieser, durch einfachen Wicklungsaufbau gekennzeichneten Anordnung und einer quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden magnetischen Flußrichtung lassen sich hohe Kraftdichten er­ reichen, insbesondere wenn kleine Polteilungen gewählt werden.

Ein Rotor kann eine Mehrzahl von Polstrukturen aufweisen, die immer wieder nach demselben Prinzip aufgebaut sind: Es folgen abwechselnd Weicheisenelemente auf Permanentmagnete, wobei zwischen einander benachbarten Teilen stets ein magnetisch nicht leitendes Isolationsmaterial zwischengefügt ist. Dieses Material dient zugleich zum Verkleben zweier einander benach­ barter Teile, d. h. eines Weicheisenelementes und eines Perma­ nentmagneten.

Bei einer bestimmten Gattung von Maschinen wird das Weichei­ senelement aus einem einzigen Weicheisenring gebildet, dem Sammlerring. In diesem Ring sind Aussparungen vorgesehen, die derart bemessen sind, daß die einzelnen Magnete - die in Qua­ der- oder Klötzchenform vorliegen - darin Platz haben. Die Weicheisenelemente zwischen den Magneten sind hierbei aus den verbleibenden Stegen des Sammlerringes zwischen den genannten Aussparungen gebildet. Dabei haben die Aussparungen gegenüber den Magneten Übermaß, so daß noch genügend Raum für das Iso­ lationsmaterial verbleibt.

Die DE-PS 38 26 339 beschreibt und zeigt u. a. einen Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Permanentmagnete und die Weicheisenteile durch Einbetten in Kunststoff miteinander verbunden sind, so daß ein Kleben erfolgt.

Darüber hinaus ist es aus der DE-AS 19 42 855 bekannt, einen aus Dauermagneten zusammengesetzten Rotor zu verwenden, bei dem Klebemittelschichten angewandt werden.

Bei allen bekannten Rotoren elektrischer Maschinen besteht ein Nachteil darin, daß eine saubere, einwandfreie Benetzung der beteiligten Flächen mit Klebstoff beim Herstellungsprozeß nicht möglich ist. Die Abstände zwischen den beteiligten Flächen, d. h. den Außenflächen der Magnete und den Leibungsflächen der Aussparungen, werden nur in den seltensten Fällen genau eingehalten. Dies führt dazu, daß die Klebemittelschicht beim fertigen Rotor Dickenschwankungen aufweist. Da die Klebemittelschicht gleichzeitig Isoliermaterial darstellt, hat dies unangenehme Auswirkungen auf die Funktion des Rotors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, daß eine saubere, einwandfreie Benetzung der beteiligten Flächen mit Klebstoff beim Herstellungsprozeß möglich ist, und daß die Abstände zwischen den beteiligten Flächen auf einfache Weise ohne großen Personalaufwand genau eingehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von An­ spruch 1 gelöst.

Bei Anwendung eines derart gestalteten Rotors erfolgt eine saubere, einwandfreie Benetzung der beteiligten Flächen mit Klebstoff. Die Luft kann nunmehr definierterweise von unten nach oben entweichen und führt zu einer blasenfreien Benetzung. Bei entsprechender Magnetführung werden die Abstände zwischen den beteiligten Flächen - Außenflächen der Magnete und Leibungs­ flächen der Aussparungen - genau eingehalten. Das Verfahren ist automatisierungsfähig.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Die Fig. 1 und 2 zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer Transversalflußmaschine.

Fig. 3 zeigt einen Sammlerring in Draufsicht.

Fig. 4 veranschaulicht den Aufbau eines Rotors gemäß der Er­ findung.

Fig. 5 veranschaulicht das Herstellen einer Polstruktur.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen einen Formring, der zum Bilden einer Polstruktur verwendet werden kann, und zwar Fig. 6 in Draufsicht und Fig. 7 in Seitenansicht.

Die in Fig. 1 schematisch im Schnitt dargestellte Maschine umfaßt ein Statorgehäuse 1, in dem ein Rotor 2 mit seiner Welle 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor besteht aus einer zentralen Scheibe 4, an deren radial äußerem Bereich symme­ trisch nach beiden Seiten koaxial zur Drehachse der Welle 3 zwei Polstrukturen 12 angeordnet sind. Diese Polstrukturen umfassen Permanentmagnete 13, die in zwei Reihen in Umfangs­ richtung und nebeneinanderliegend jeweils wechselweise po­ larisiert und Weicheisenelementen 14 benachbart sind, wobei alle Teile durch elektrisch und magnetisch nicht leitendes Material, vorzugsweise Kunststoff 15 voneinander getrennt sind. Durch die Einbettung in Kunststoff bildet die Scheibe 4 mit der Polstruktur 12, mit den Magneten 13 und Weicheisen­ elementen 14 (dargestellt in Fig. 2) einen in sich aus­ gesteiften Drehkörper. Den Polstrukturen 12 steht jeweils, getrennt durch einen Luftspalt 11, ein Stator 5 gegenüber, der aus einem radial außenliegenden Außenstator 6 und einem radial innenliegenden Innenstator 7 besteht. Der Außenstator 6 umfaßt U-förmig ausgebildete Ankerelemente 9, deren offene Schenkel den Permanentmagneten 13 der Polstruktur 12 des Ro­ tors gegenüberstehen. Innerhalb der Schenkel der Ankerelemen­ te 9 befindet sich, von drei Seiten umschlossen, eine in Umfangsrichtung verlaufende Ringwicklung 8. Der Innenstator 7 ist frei von einer Ringwicklung und bildet lediglich zwischen den Permanentmagneten 13 auf der radial innenliegenden Seite den magnetischen Rückschluß für die Statorerregung, nämlich in einer radialen Ebene (Transversalflußprinzip).

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Ansicht und in gestreckter Lage einen Ausschnitt aus der Polstruktur 12 des Rotors und die sie umgebenden Statorteile 6, 7. Zu erkennen sind die beiden Reihen von hintereinander angeordneten Permanentmagne­ ten 13 und Weicheisenelementen 14, die jeweils durch eine magnetisch und elektrisch nicht leitende Trennschicht 15 in Umfangsrichtung zusammengefaßt sind. Die Permanentmagnete 13 der einen Reihe sind gegenüber denen der anderen Reihe in unterschiedlicher Richtung gepolt, so daß eine magnetische Flußrichtung gemäß dem Richtungspfeil P entsteht. Die beiden Reihen von Permanentmagneten 13 mit Weicheisenelementen 14 sind auch quer zur Umfangsrichtung mit magnetisch und elek­ trisch nicht leitendem Material, vorzugsweise Kunststoff, voneinander getrennt (nicht dargestellt), aber dennoch trag­ fähig miteinander verbunden.

Fig. 3 veranschaulicht das Querschnittsprofil 20 eines Sammlerringes 21. Wie man sieht, weicht das Querschnittspro­ fil vom Rechteck ab. An den Stirnseiten befinden sich nämlich jeweils zwei Eckbereiche 22. Auf die Bedeutung dieser Eckbe­ reiche wird weiter unten noch eingegangen werden.

Fig. 4 veranschaulicht den Rotoraufbau in einem gegenüber Fig. 3 verkleinerten Maßstab. Man erkennt die Rotorachse 30, ferner - von oben nach unten - einen Endring 31, einen ersten Sammlerring 32 mit Magneten 33, einen Zwischenring 34, einen zweiten Sammlerring 35 mit Magneten 36, eine Trägerschei­ be 37, usw. Zwischen den einzelnen Ringen befinden sich Kle­ beflächen 38.

Fig. 5 veranschaulicht das eigentliche, erfindungsgemäße Herstellungsverfahren. Auf einen im Takt verdrehbaren Dreh­ tisch 40 ist eine Trägerscheibe 41 aufgelegt. Auf die Träger­ scheibe ist ein Sammlerring 42 aufgeklebt, der entsprechend der Darstellung von Fig. 3 gestaltet ist. Er besteht aus Weicheisen und bildet die Pol-Sammler.

In der mittleren Position von Darstellung 5 befindet sich eine Aussparung 43. In diese Aussparung ist eine bestimmte Menge Isoliermaterial eingebracht worden. Ein Permanentmag­ net 45 wird sodann aus einem nicht dargestellten, ortsfesten Magazin genau mittig in die Aussparung 43 abgesenkt, bis er das Isoliermaterial berührt. Der Magnet 45 wird noch weiter in eine Endposition abgesenkt, wobei er den Klebstoff allsei­ tig in den verbleibenden Spaltraum zwischen dem Permanent­ magneten 45 und der Leibung der Aussparung 43 verdrängt, so daß der flüssige Klebstoff in diesem Spaltraum hochsteigt und ihn restlos ausfüllt. Man erkennt diesen Zustand in dem lin­ ken Teil von Fig. 5. Hier ist ein Magnet 45.1 bereits in ei­ ne Aussparung eingesetzt worden, und der Spaltraum ist von Isoliermaterial 44.1 ausgefüllt. Der Klebstoff hat nicht nur klebende, sondern auch magnetisch isolierende Eigen­ schaft. Es härtet nach einiger Zeit aus und gewährleistet die notwendige Festigkeit der gesamten Polstruktur. Beim Ein­ führen des Permanentmagneten 45 in die Aussparung 43 dienen die in Fig. 3 dargestellten Eckbereiche 22 der Führung. Wie man aus Fig. 3 erkennt, haben dort die Eckbereiche 22 eine Breite von b und eine Länge von l. Diese Maße entsprechen genau den Maßen des Magneten.

Sobald Magnet 45 in beschriebener Weise vollständig in die Aussparung 43 eingesetzt ist, wird der Drehtisch 40 soweit verdreht, daß das genannte Magazin mit der nachfolgenden Aus­ sparung 43.1 fluchtet, sodann wird auch in diese Aussparung eine bestimmte Menge 44.1 des Klebstoffes eingebracht, ein weiterer (hier nicht dargestellter) Permanentmagnet in die Aussparung 43.1 abgesenkt, usw.

Nach Beendigung des geschilderten Vorganges - mit kompletter Fertigstellung des Rotors - kann der Sammlerring an seinem Außen- und Innenumfang abgedreht werden, so daß die entspre­ chenden Flächen der Magnete in diesen Bereichen freiliegen.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen einen Aufbau der Polstruktur, wo­ bei der Sammlerring käfigartig gestaltet ist. Die Leibungs­ flächen der Aussparungen des Sammlerringes umschließen die Permanentmagnete dauernd, d. h. auch bei der fertigen Pol­ struktur.

Statt dessen ist jedoch auch eine Abwandlung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens möglich: Man verwendet zum Schaffen einer Polstruktur einen Formring 50. Dieser besteht aus einer kreisförmigen Scheibe 50.1 und aus einer auf diese Scheibe auf den Umfangsbereich aufgesetzten Rinne 50.2, die auf ihrer einen Seite durch die Scheibe 50.1 abgeschlossen ist, auf der anderen Seite jedoch offen ist. In die Rinne 50.2 werden in Abständen klötzchenförmige Weicheisenelemente 52 eingesetzt. Die Abstände sind derart bemessen, daß in den Zwischenräumen zwischen zwei einander benachbarten Weicheisenelementen je­ weils ein Permanentmagnet-Klötzchen 55 Platz hat, und daß außerdem noch ein Spalt verbleibt, der mit Klebstoff 54 aus­ gefüllt werden kann.

Auch hierbei läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren anwen­ den: Nach dem Einsetzen der Weicheisenelemente wird in den Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Weicheisen­ elementen ein bestimmtes Volumen des Klebstoffs eingebracht, ein Permanentmagnet mittig eingesetzt und hierbei der Kleb­ stoff verdrängt, so daß er die einander zugewandten Flächen des Magneten und des Weicheisenelementes gleichmäßig benetzt. Nach dem Aushärten wird die so entstandene Polstruktur aus dem Formring herausgenommen.

Claims (1)

1. Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Transversalfußmaschine, mit den folgenden Merkmalen:

   • 1) ringförmige Polstrukturen (12), die den radial äußeren Umfangsbereich des Rotors (2) bilden;
   • 2) Permanentmagnete (13, 33, 36, 45, 45.1), die in entsprechende Aussparungen eines Weicheisenringes (21, 32, 35, 42) eingesetzt sind, der seinerseits Pol-Sammler bildet, so daß Permanentmagnete und Weicheisenelemente in Umfangsrichtung der Polstruktur (12) abwechselnd aufeinander folgen, wobei die Aussparungen gegenüber den Permanentmagneten Übermaß haben, so daß Spalträume verbleiben;
   • 3) Schichten aus magnetisch nicht leitendem und zugleich klebendem Isoliermaterial (Klebstoff), die in den Spalträumen enthalten sind;
     gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
   • 4) die Aussparungen (20, 43, 43.1) sind - in Draufsicht auf den Pol-Sammler - mit Eckbereichen (22) ausgestattet, die die betreffenden Kantenbereiche der einzelnen Magnete (45) führend umschließen.