DE4333555C2 - Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine, insbesondere stromrichtergespeiste Synchronmaschine nach dem Transversalflußprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 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 Maschine, also parallel zur Rotordrehachse erfolgt, sondern in Umfangsrichtung, d. h. entlang der Bewegungsrichtung bei Rotation des Rotors. Der Rotor umfaßt dazu mindestens eine Polstruktur aus jeweils zwei nebeneinanderliegenden Reihen aus in Umfangsrichtung wechselweise magnetisierten Permanentmagneten und Weicheisenelementen, wobei die beiden Reihen durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem 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 Außenstator 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 innen bzw. radial außen her über einen Luftspalt gegenüberstehen. Zur Erregung weist die bekannte Maschine für jeden Statorteil jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Ringwicklung auf.

Mit dieser, durch einfachen Wicklungsaufbau gekennzeichneten Anordnung und einer quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden magnetischen Flußrichtung lassen sich hohe Kraftdichten erreichen, 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 benachbarter Teile, d. h. eines Weicheisenelementes und eines Permanentmagneten.

Bei einer bestimmten Gattung von Maschinen wird das Weicheisenelement aus einem einzigen Weicheisenring gebildet, dem Sammlerring. In diesem Ring sind Aussparungen vorgesehen, die derart bemessen sind, daß die einzelnen Magnete - die in Quader- 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 Isolationsmaterial verbleibt.

Ein bekanntes Herstellungsverfahren, von dem die Erfindung ausgeht, ist in DE 42 00 239 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird wie folgt vorgegangen:
Es werden ringförmige Polstrukturen hergestellt, die den radial äußeren Umfangsbereich des Rotors bilden;
dabei werden Permanentmagnete in entsprechende Aussparungen eines Weicheisenringes eingesetzt, der die Pol-Sammler bildet, so daß Permanentmagnete und Weicheisenelemente in Umfangsrichtung der Polstruktur abwechselnd aufeinander folgen, wobei die Aussparungen gegenüber den Permanentmagneten Übermaß haben, so daß Spalträume verbleiben;
auf die Flächen der Permanentmagnete und der Weicheisenelemente wird ein magnetisch nicht leitendes und sogleich klebendes Isoliermaterial (Klebstoff) aufgebracht;
es wird Klebstoff in die Aussparung in flüssigem Zustand eingefüllt;
das Volumen des Klebstoffes ist wenigstens gleich dem Volumen des betreffenden Spaltraumes;
die Permanentmagnete werden in die Aussparungen und damit in den flüssigen Klebstoff bis in ihre Endpositionen eingedrückt, wobei der Klebstoff in den Spalträumen hochsteigt und diese ausfüllt.

Das Verfahren hat sich in der Praxis bewährt. Jedoch kann im Zuge der konstruktiven Auslegung und Herstellung folgendes Problem auftreten:
Wird der einzelne Permanentmagnet in eine entsprechende Aussparung des Weicheisenringes eingesetzt, so verbleiben zwischen den Umfangsflächen des Permanentmagneten und der Leibung des Weicheisenringes Spalträume, die aus konstruktiven Gründen unterschiedlich gestaltet sein können. In diesen Spalträumen steigt mit zunehmendem Eindrücken des Permanentmagneten der Klebstoff hoch. Der Erfinder hat erkannt, daß die Strömungswiderstände, die dem Klebstoff bei dessen Hochsteigen entgegenstehen, um den Umfang des Permanentmagneten herum unterschiedlich groß sind. Dies liegt zum einen daran, daß außer konstruktiven Merkmalen die Spalträume nicht so genau gearbeitet werden können, daß sie überall dieselbe Weite haben. Es liegt aber auch daran, daß die Flächen der Strömungskanäle eine unterschiedliche Qualität, insbesondere eine unterschiedliche Rauhigkeit aufweisen. Dies führt dazu, daß in einem Teil der Strömungskanäle, die den Permanentmagneten umgeben, eine andere Fließgeschwindigkeit herrscht, als in einem anderen Teil. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Klebstoff die obere Stirnseite des Weicheisenringes zu verschiedenen Zeitpunkten erreicht, oder daß ein Teil des Strömungskanales in einem gewissen Endstadium völlig ausgefüllt ist und der Klebstoff überquillt, während ein anderer Teil nur mangelhaft ausgefüllt ist. Letzten Endes führt dies zu einer nicht optimalen Verbindung zwischen dem betreffenden Permanentmagneten und der Leibung des Weicheisenringes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, daß die Spalträume zwischen den Umfangsflächen des einzelnen Permanentmagneten und der Leibung des Weicheisenringes gleichmäßig sowie voll und ganz ausgefüllt werden, ungeachtet der Abmessungen und der Oberflächenbeschaffenheiten der einzelnen Strömungskanäle.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

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.

Die Fig. 5a-5d veranschaulichen 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 symmetrisch nach beiden Seiten koaxial zur Drehachse der Welle 3 zwei Polstrukturen 12 angeordnet sind. Diese Polstrukturen umfassen Permanentmagnete 13, die in zwei Reihen in Umfangsrichtung und nebeneinanderliegend jeweils wechselweise polarisiert 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 Weicheisenelementen 14 (dargestellt in Fig. 2) einen in sich ausgesteiften 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 Rotors gegenüberstehen. Innerhalb der Schenkel der Ankerelemente 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 Permanentmagneten 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 elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise Kunststoff, voneinander getrennt (nicht dargestellt), aber dennoch tragfähig miteinander verbunden.

Fig. 3 veranschaulicht das Querschnittsprofil 20 eines Sammlerringes 21. Wie man sieht, weicht das Querschnittsprofil vom Rechteck ab. An den Stirnseiten befinden sich nämlich jeweils zwei Eckbereiche 22. Auf die Bedeutung dieser Eckbereiche 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 Trägerscheibe 37, usw. Zwischen den einzelnen Ringen befinden sich Klebeflächen 38.

Die Fig. 5a-5d veranschaulichen das eigentliche, erfindungsgemäße Herstellungsverfahren.

Fig. 5a stellt eine Vorphase dar, in welcher der größeren Klarheit wegen die Abdeckmaske zunächst weggelassen ist.

In Fig. 5b ist die Abdeckmaske 70 erkennbar, wobei - wiederum aus Gründen der Klarheit - alle anderen Bezugszeichen weggelassen sind. Diese Darstellung ist ein Schnitt B-B durch den Gegenstand von Fig. 5d.

Fig. 5c zeigt den Gegenstand von Fig. 5a in einem Schnitt A-A in Fig. 5d.

Im einzelnen arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt:
Auf einen im Takt verdrehbaren Drehtisch 40 ist eine Trägerscheibe 41 aufgelegt. Auf die Trägerscheibe 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 der Fig. 5a und 5b befindet sich eine Aussparung 43. In diese Aussparung ist eine bestimmte Menge Isoliermaterial eingebracht worden. Ein Permanentmagnet 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 allseitig in den verbleibenden Spaltraum zwischen dem Permanentmagneten 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 linken Teil der Fig. 5a und 5b. Hier ist ein Magnet 45.1 bereits in eine Aussparung eingesetzt worden, und der Spaltraum ist von Isoliermaterial 44.1 ausgefüllt. Der Klebstoff hat nicht nur klebende, sondern auch magnetisch isolierende Eigenschaft. Er härtet nach einiger Zeit aus und gewährleistet die notwendige Festigkeit der gesamten Polstruktur. Beim Einführen 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 Aussparung 43.1 fluchtet, sodann wird auch in dieser Aussparung eine bestimmte Menge 44.1 des Klebstoffes eingebracht, ein weiterer (hier nicht dargestellter) Permanentmagnet in die Aussparung 43.1 abgesenkt, usw.

Ganz entscheidend ist, wie oben ausgeführt, die Abdeckmaske 70. Diese weist Aussparungen auf, welche man aus dem mittleren Bereich von Fig. 5d erkennt. Die einzelne Aussparung ist derart bemessen, daß der betreffende Permanentmagnet 45 durch die Aussparung gleitend hindurchgeschoben werden kann, so daß nur ein geringes oder gar kein Spiel zwischen den Umfangsflächen des Permanentmagneten und der Leibung der genannten Aussparung der Abdeckmaske 70 verbleibt. Dabei kann die Abdeckmaske 70 bereits vor dem Absenken des betreffenden Permanentmagneten 45 in die Aussparung 43 auf die Stirnseite des Weicheisenringes aufgelegt werden. Man kann aber auch anders vorgehen, indem man den Permanentmagneten 45 ein Stück des Wegs in die Aussparung einführt und sodann die Abdeckmaske 70 über den Permanentmagneten stülpt und auf die Stirnseite des Weicheisenringes legt. In jedem Falle führt die Abdeckmaske 70 zu einem Ausgleich der Strömungswiderstände und zu einem 100%igen Ausfüllen des Spaltraumes zwischen dem Permanentmagneten und der Leibung der Aussparung 43.

Claims (3)

1. Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Transversalflußmaschine, mit den folgenden Merkmalen:

• 1.1 es werden ringförmige Polstrukturen (12) hergestellt, die den radial äußeren Umfangsbereich des Rotors (2) bilden;
• 1.2 dabei werden Permanentmagnete (13, 33, 36, 45, 45.1) in entsprechende Aussparungen eines Weicheisenringes (21, 32, 35, 42) eingesetzt, der die 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;
• 1.3 auf die Flächen der Permanentmagnete und der Weicheisenelemente wird ein magnetisch nicht leitendes und sogleich klebendes Isoliermaterial (Klebstoff) aufgebracht;
• 1.4 es wird Klebstoff (44, 44.1) in die Aussparung in flüssigem Zustand eingefüllt;
• 1.5 das Volumen des Klebstoffes (44, 44.1) ist wenigstens gleich dem Volumen des betreffenden Spaltraumes;
• 1.6 die Permanentmagnete (45, 45.1) werden in die Aussparungen (43, 43.1) und damit in den flüssigen Klebstoff (44, 44.1) bis in ihre Endpositionen eingedrückt, wobei der Klebstoff in den Spalträumen hochsteigt und diese ausfüllt; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
• 1.7 auf die Stirnfläche des Weicheisenringes (21, 32, 35, 42) wird eine Abdeckmaske (70) aufgelegt, welche Aussparungen aufweist (Maskenaussparungen), durch die jeweils ein Permanentmagnet (45) hindurchführbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Permanentmagneten (45) und der betreffenden Maskenaussparung ein Gleitsitz herrscht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Permanentmagneten (45) und der betreffenden Maskenaussparung ein Preßsitz herrscht.