DE60035578T2

DE60035578T2 - Läufer für einen schnellaufenden dauermagnetmotor

Info

Publication number: DE60035578T2
Application number: DE60035578T
Authority: DE
Inventors: Thord Agne Nilson
Original assignee: Danaher Motion Stockholm AB
Current assignee: Inmotion Technologies AB
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: SE9901107L; SE9901107D0; EP1173916A1; DE60035578D1; EP1173916B1; SE521340C2; US6661145B1; WO2000059097A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für einen Hochgeschwindigkeitsmotor mit einem Permanentmagneten, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Motorrotor, der eine Vielzahl an magnetischen Scheiben, die auf eine mittige Spindel aufgeschoben sind, und eine Klemmvorrichtung zum Ausüben einer axialen Klemmkraft auf die magnetischen Scheiben aufweist, um ein axial vorgespanntes Scheibenpaket zu bilden, wobei jede der magnetischen Scheiben zur elektrischen Abschottung gegenüber den benachbarten Scheiben oder der Klemmvorrichtung mit wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist.
Es ist bekannt, dass in Motorrotoren verwendete permanentmagnetische Materialien einer großen Zentrifugalbelastung ausgesetzt sind, und dass der Grenzwert der Spannungsfestigkeit solcher Materialien bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl leicht erreicht werden kann. Dies bedeutet, dass Rotoren mit Permanentmagneten verstärkt werden müssen, um mit den großen Zentrifugalbelastungen zurecht zu kommen, die bei hohen Drehzahlen hervorgerufen werden.
Ein bereits bekanntes Verfahren, um Rotoren mit Permanentmagneten zu verstärken, besteht darin, eine äußere Manschette vorzusehen, die die Teile des Rotors aus permanentmagnetischen Materialen umschließt. Eine derartige Manschette kann aus einer hochfesten Metallröhre aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, wie beispielsweise Titan, kaltbearbeitetem Edelstahl etc., oder aus einer hochfesten Faserbandage gebildet sein, die um die permanentmagnetischen Teile des Rotors gewickelt ist. In beiden Fällen ist die Verstärkung radial vorgespannt, um die während des Motorbetriebs durch die Zentrifugalkräfte bewirkte Spannungsbelastung auf das magnetische Material zu minimieren.
In Anwendungen mit kleinem Rotordurchmesser ist eine äußere Verstärkungsmanschette unerwünscht, da sie den Durchmesser des Rotors vergrößert. Sie ist auch unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten nicht wünschenswert, da die Manschette den Rotor nicht nur um ein oder mehrere Details erweitert sondern auch dem Zusammenbau des Rotors eine Anzahl zusätzlicher Arbeitsschritte hinzufügt.
Die vorhergehend erwähnten Probleme werden durch die Erfindung gelöst, da ein erfindungsgemäßer Rotor mit Permanentmagnet keine äußere Manschette umfasst sondern eine Verstärkungsvorrichtung aufweist, die den Durchmesser des Rotors nicht beeinträchtigt und den Zusammenbau des Rotors nicht verkompliziert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht des Motors mit einem erfindungsgemäßen Rotor, teilweise im Schnitt;
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor, und
3 in einem größeren Maßstab einen Ausschnitt des Rotors nach 2, der schematisch die erfindungsgemäße Anordnung der Magnetscheiben darstellt.
Der in den Zeichnungsfiguren dargestellte Motor weist einen Stator 10 mit einem zylindrischen Gehäuse 11, zwei Stirnwänden 12, 13, elektrischen Wicklungen 14 und einem röhrenförmigen Kern 15, der die Wicklungen 14 umgibt, sowie einen Rotor 16 auf. Der Rotor 16 ist in zwei Lagern 18, 19 gelagert, die in den Stirnwänden 12, 13 des Stators gehalten sind, und weist eine mittige Spindel 20, eine Vielzahl permanentmagnetischer Scheiben 21, die auf jeder Seite mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material versehen sind, und eine Anzahl von Verstärkungsscheiben 23 auf, die zwischen den Magnetscheiben 21 angeordnet sind. Der Zweck und die funktionalen Merkmale der Verstärkungsscheiben 23 werden nachfolgend näher beschrieben.
Die an den Magnetscheiben 21 vorgesehenen Isolierschichten 22 bestehen geeigneterweise aus einem anorganischen Material, beispielsweise einer oxidierten Aluminiumfolie. Diese Art von Material hat einen sehr großen Elastizitätskoeffizienten, was bedeutet, dass es praktisch keine Neigung hat, unter großen Zentrifugalkräften zu kriechen. Ebenso wenig tendieren diese Materialien dazu, bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Elastizitätskoeffizienten anzunehmen. Dies ist beim Betrieb eines Motors mit sehr hoher Drehzahl unter wechselnden Lastbedingungen vorteilhaft.
Da das für diesen Zweck verwendete Magnetmaterial recht spröde ist und dementsprechend eine geringe Zugfestigkeit hat, ist das Scheibenpaket 21 axial vorgespannt, um sicherzustellen, dass während des Betriebs des Motors in den Magnetscheiben 21 keine Zugkräfte in axialer Richtung auftreten. Dies wird durch eine Klemmvorrichtung erreicht, die zwei Manschettenelemente 24, 25 aufweist, die auf der Spindel 20 befestigt sind. Eines dieser Manschettenelemente 24 ist axial an einem Absatz 26 der Spindel 20 gehalten, während das andere Manschettenelement 25 von einer Mutter 28 gehalten ist, die in ein Gewinde 29 auf der Spindel 20 eingreift. Beim Zusammenbau des Rotors 16 wird die Mutter 28 bis zu dem Wert der Streckspannung des Spindelmaterials angezogen, um die höchstmögliche Vorspannung des magnetischen Scheibenpakets zu erreichen und zu gewährleisten, dass in dem magnetischen Scheibenpaket aufgrund von Biegebeanspruchungen des Rotors 16 keine lokale Zugspannungen auftreten.
Ein Typ eines vorhergehend beschriebenen Motors mit einem Permanentmagneten ist in der US Patentschrift Nr. 5,448,123 beschrieben.
Bei diesem Motortyp sind die Magnetscheiben 21 während des Betriebs mit hoher Drehzahl auch großen Zentrifugalkräften ausgesetzt, was bedeutet, dass das magnetische Material einer nachteiligen Zugspannung ausgesetzt sein kann. Jedoch wird dies durch Einführen einer Verstärkungsscheibe 23 auf beiden Seiten jeder Magnetscheibe 21 verhindert, die aufgrund der durch die Klemmvorrichtung 24-26, 28 ausgeübten axialen Klemmwirkung jede Seite der Magnetscheiben 21 reibschlüssig hält. Diese reibschlüssige Verbindung führt zu einer Übertragung von Zentrifugalkräften von den Magnetscheiben 21 an die Verstärkungsscheiben 23, was zu einer Zugspannungsentlastung in den Magnetscheiben 21 führt.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, sind die Verstärkungsscheiben 23 aus einem hochfesten Material, das sehr stabil gegenüber Zugkräften ist, hergestellt, wie beispielsweise hochfestem Metall, Keramik, Verbundwerkstoff etc. Folglich ist der Elastizitätskoeffizient dieser Materialien sehr hoch.
In einigen Fällen, in denen die Zentrifugalkräfte nicht zu hoch sind und/oder die Magnetscheiben 21 dünn sind, kann es ausreichend sein, eine Verstärkungsscheibe 23 nur zwischen jeder zweiten magnetischen Scheibe 21 zu verwenden.
Wenn die Magnetscheiben 21 dünn sind, kann es außerdem ausreichend sein, eine elektrisch isolierende Schicht 22 nur zwischen jeder zweiten Magnetscheibe 21 zu verwenden.
Wie aus den Zeichnungsfiguren ersichtlich ist, haben sowohl die magnetischen Scheiben 21 als auch die Verstärkungsscheiben 23 eine flache Form, und die in den magnetischen Scheiben 21 auftretenden Zentrifugalkräfte werden durch reine Reibung an die Verstärkung übertragen. Die Verwendung flacher Scheiben ist darin vorteilhaft, dass die Scheiben aus einem Flachmaterial einfach herstellbar sind. Die Scheiben in anderen Formen maschinell herzustellen wäre sehr schwierig, da das hochfeste Material in den Verstärkungsscheiben 23 sehr schwer zu bearbeiten ist. Es ist dennoch denkbar, konische Scheiben zu verwenden, so dass die Reibverbindung zwischen den magnetischen Scheiben 21 und den Verstärkungsscheiben 23 durch eine radiale Keilwirkung zwischen den Scheiben verstärkt wird.
Um ein radiales Vorspannen der magnetischen Scheiben 21 zu erreichen und sicherzustellen, dass absolut keine Zugspannungen in dem magnetischen Material auftreten, werden die Verstärkungsscheiben 23 vor dem Zusammenbau und der axialen Verklemmung des Rotorscheibenpakets erwärmt. Wenn jedoch der thermische Ausdehnungskoeffizient der Verstärkungsscheiben ausreichend größer ist als jener der Magnetscheiben, reicht es aus, die komplette Rotoranordnung vor der axialen Verklemmung des Scheibenpakets zu erwärmen. Das Erwärmen der kompletten Rotoranordnung würde natürlich den Ablauf des Zusammenbaus vereinfachen. Beim Abkühlen bewerkstelligt das Schrumpfen der Verstärkungsscheiben 23 über die Reibverbindung eine radial nach innen gerichtete Vorspannung der Magnetscheiben 21.

Claims

Rotor für einen Hochgeschwindigkeitsmotor mit einem Permanentmagneten, wobei der Motor eine mittige Spindel (20) und eine Vielzahl an Magnetscheiben (21) aufweist, die auf die Spindel aufgeschoben sind, wobei die Spindel (20) eine Klemmvorrichtung (24-26, 28) zum Ausüben einer axialen Klemmkraft auf die Magnetscheiben (21) besitzt, wodurch sie ein axial vorgespanntes Scheibenpaket bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens jeder zweiten Magnetscheibe (21) und/oder zwischen einer Magnetscheibe (21) und der Klemmvorrichtung (24-26, 28) eine Verstärkungsscheibe (23) aus einem nichtmagnetischen, hochfesten Material angeordnet ist, wobei jede Verstärkungsscheibe (23) durch die axiale Klemmkraft zwischen den wenigstens jeweils zweiten Magnetscheiben (21) oder zwischen einer Magnetscheibe (21) und der Klemmvorrichtung (24-26, 28) verklemmt ist und dadurch eine Reibverbindung zwischen den Verstärkungsscheiben (23) und den Magnetscheiben (21) zum Übertragen zentrifugaler Kräfte von den Magnetscheiben (21) auf die Verstärkungsscheiben (23) zustande kommt, wodurch die Magnetscheiben (21) von Dehnungsbeanspruchungen entlastet werden.
Rotor nach Anspruch 1, bei welchem eine Verstärkungsscheibe (23) zwischen jeweils zwei benachbarten Magnetscheiben (21) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jede der Magnetscheiben (21) wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht (22) aufweist.
Rotor nach Anspruch 1, bei welchem die Verstärkungsscheiben (23) eine flache Form aufweisen.
Rotor nach Anspruch 1, bei welchem die Verstärkungsscheiben (23) aus einem hochfesten Material bestehen.
Rotor nach Anspruch 1, bei welchem die Verstärkungsscheiben (23) aus einem Keramikmaterial bestehen.
Rotor nach Anspruch 1, bei welchem durch eine Wärmebehandlung der Verstärkungsscheiben (23) vor dem Einbau die Magnetscheiben (21) radial vorgespannt werden.
Rotor nach Anspruch 7, bei welchem der thermische Ausdehnungkoeffizient des Materials der Verstärkungsscheiben (23) größer ist als der des Materials der Magnetscheiben (21) und die Wärmebehandlung ein Aufwärmen der kompletten Rotorvorrichtung vor dem Aufbringen der axialen Klemmkraft aufweist.