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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen
bürstenlosen Motor, der für einen Betrieb bei hohen
Drehzahlen mit hohen Wirkungsgrad geeignet ist.
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Ein bürstenloser Motor weist im allgemeinen einen
zylindrischen Rotor auf, welcher auf seiner Außenumfangsoberfläche
mit aus Ferrit oder dergleichen bestehenden Permanentmagneten
versehen ist.
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In Fig. 28 der beigefügten Zeichnungen ist der Aufbau
eines derartigen bürstenlosen Elektromotor exemplarisch
dargestellt. Der insgesamt mit 1 bezeichnete bürstenlose
Elektromotor weist ein Motorgehäuse (d.h., einen Stator) 2, der aus
einer zylindrischen Seitenwand 3 besteht, und eine vordere
Stirnplatte 4 und eine hintere Stirnplatte 5 auf, welche
beide dafür ausgelegt sind, die gegenüberliegenden Enden der
Seitenwand 3 zu verschließen. Innerhalb der Seitenwand 3 sind
mehrere Antriebsspulen 6 so angeordnet, daß sie eine
zylindrische Anordnung bilden und an der Innenoberfläche der
Seitenwand 3 befestigt sind. Ein Rotor 7 ist mit einer
konzentrischen daran befestigten Rotationswelle 8 versehen. Die
Rotationswelle 8 ragt aus den gegenüberliegenden Enden des
Rotor 7 hervor, so daß sie an dem einem Ende in einem Lager 10
gelagert wird, das in einer durch die hintere Stirnplatte 5
des Motorgehäuses 2 hindurch ausgebildeten Öffnung 9 gehalten
wird, und das andere Ende in einem Lager 12 gelagert wird,
das in einer durch die vordere Stirnplatte 4 des
Motorgehäuses 2 hindurch ausgebildeten Öffnung 12 gehalten wird.
Innerhalb der Seitenwand 3 des Motorgehäuses 2 ist ein
ringförmiges Element 13 vorgesehen, das zum Haltern mehrerer
Polsensoren 14 in der Weise angepaßt ist, daß diese Sensoren 14 in
geeigneter Weise eng an der einen Endoberfläche des Rotors 7
anliegend positioniert werden.
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In Fig. 29 ist ein exemplarischer Rotor 7 nach dem
Stander Technik in isometrischer Darstellung dargestellt, wobei
die Rotationswelle 8 in ein zylindrisches Joch 70 eingeführt
und damit in einem Stück ausgebildet ist. Dieses Joch 70
trägt an seiner Außenumfangsoberfläche ein Paar gekrümmter
Permanentmagnete 71, die so magnetisiert sind, daß sie N-Pole
auf ihren äußeren Seiten und S-Pole auf ihren inneren Seiten
aufweisen, und ein weiteres Paar gekrümmter Permanentmagnete
72, die so magnetisiert sind, daß sie S-Pole auf ihren
äußeren Seiten und N-Pole auf ihren inneren Seiten aufweisen. Die
jeweiligen Paare dem Permanentmagnete 71 und 72 sind
abwechselnd um das Joch 70 angeordnet und damit verbunden.
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In diesem bürstenlosen Elektromotor 1 detektieren die
nagnetischen Polsensoren 14 Positionen der magnetischen Pole
des Rotors 7 und als Antwort darauf versorgt eine (nicht
dargestellte) Steuerschaltung die entsprechenden Antriebsspulen
6 mit elektrischen Strom in der Weise, daß eine
Wechselwirkung elektrischen Stromes und magnetischen Flusses eine
Rotation des Rotors 7 bewirkt. Nach einer Drehung auf diese
Weise, präsentiert der Rotor nun neue magnetische Polpositionen
zur nochmaligen Detektion durch die magnetischen Polsensoren
14, worauf die Steuerschaltung die anderen Antriebsspulen 6
mit elektrischem Strom versorgt, was eine nochmalige Drehung
des Rotors bewirkt. Ein derartiger Betriebsablauf wird
wiederholt, und dadurch der Rotor 7 kontinuierlich gedreht. Die
auf diese Weise erzeugte Drehkraft wird als eine
Bewegungskraft über die Rotationswelle 8 aus dem elektrischen Motor
entnommen.
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In Fig. 30 ist ein weiteres Beispiel des herkömmlichen
Rotors 7 in isometrischer Darstellung gezeigt, in welchem die
Permanentmagnete 71 und 72 mit einem Schutzelement 73 aus
einem nichtmagnetischen Metall überdeckt sind, um ein
Wegfliegen dieser an dem Rotor 7 befestigten Permanentmagnete
aufgrund von zentrifugalkräften zu verhindern, wenn der Motor
bei hoher Drehzahl betrieben wird.
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Angesicht der Tatsache, daß das maximale Energieintegral
sowie die Restflußdichte nur 3,3 MGOe bzw. 3,8 KG in dem die
Ferritmagnete nutzendem bürstenlosen Elektromotor betragen,
sollte eine Permeanz des magnetischen Kreises erhöht werden,
um ein Drehmoment zu erzeugen, welches für den Betrieb des
Elektromotors ausreicht, und demzufolge sollte auch die
Anzahl der Magnete erhöht werden, was den Elektromotor leider
unhandlich macht.
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Wenn der Elektromotor in einem Spiralkompressor oder
dergleichen eingesetzt wird, welcher üblicherweise für eine
Betrieb bei hohen Drehzahlen ausgelegt ist, können die
Permanentmagnete zerstört werden oder wegfliegen, da eine
Zugspannung aufgrund der durch die Rotation des Elektromotors bei
hoher Drehzahl erzeugten Zentrifugalkraft größer als die
Materialfestigkeit der Permanentmagnete und eine Haftung dieser
Magnete an dem Rotor wird.
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Ferner kompliziert eine Abdeckung des Rotors mit einem
Schutzelement, um das Wegfliegen der Permanentmagnete zu
verhindern, nicht nur den Herstellungsvorgang der Rotors,
sondern vergrößert auch einen zwischen dem Rotor und Stator
gebildeten Spalt um die Dicke des Schutzelementes und
vergrößert dementsprechend den magnetischen Widerstand. Demzufolge
sinkt die Magnetdichte und der Wirkungsgrad wird deutlich
verringert.
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Es wird Bezug auf die US-A-4 358 696 und die US-A-4 476
408 genommen, welche beide einen Permanentmagnetrotor mit
einem Körper offenbaren, der aus Laminaten mit Schlitzen darin
besteht, welche Permanentmagnete aufnehmen.
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Die vorliegende Erfindung hat als eine Hauptaufgabe, den
Einbau von Permanentmagneten in Schlitzen in einem
geschichteten Rotorkörper mit geringem Kraftaufwand zu ermöglichen,
wobei aber deren Herausfallen nach dem Einbau sicher
verhindert wird.
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Eine Hilfsaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen verbesserten Rotor zur Verwendung in einem
bürstenlosen Elektromotor bereitzustellen, welcher einen hohen
Wirkungsgrad mit einer kompakten Konstruktion erreichen kann,
und nicht befürchten läßt, daß die Permanentmagnete aufgrund
der Rotation des Elektromotors bei hoher Drehzahl zerstört
werden oder wegfliegen könnten.
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Erfindungsgemäß wird ein Rotor für einen bürstenlosen
Motor bereitgestellt, welcher ein Joch hergestellt aus mehreren
übereinandergeschichteten Siliziumstahlblechen und entlang
seines Außenumfanges mit einer geraden Anzahl magnetischer
Pole versehen, in den magnetischen Polen vorgesehene Schlitze
für die Unterbringung von Permanentmagneten, und jeweils in
den Schlitzen untergebrachte Permanentmagnete aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der jeden Schlitz bildende
Innenumfang des Joches mit Vorsprüngen versehen ist, welche dafür
ausgelegt, in Eingriff mit dem entsprechenden
Permanentmagneten zu stehen, wenn letzterer unter Kraftaufwand in den
Schlitz eingeführt wird.
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In einer Ausführungsform weist der verbesserte Rotor
Permanentmagnet für die Verwendung einen bürstenlosen
Elektromotor bereitgestellte Permanentmagnet auf, wobei der Rotor ein
Joch aufweist, das aus mehreren Siliziumstahlblechen
geschichtet ist und entlang seines Außenumfanges mit mindestens
vier magnetischen Polen versehen ist, wobei die magnetischen
Pole abwechselnd in im wesentlichen gleichen Abständen von
einer Rotationsachse mit Schlitzen für die Unterbringung der
entsprechenden Permanentmagnet ausgebildet sind, und die
Permanentmagnete in den zugeordneten Schlitzen so untergebracht
sind, daß die Seiten der Permanentmagnete, welcher der
Rotationswelle zugewandt sind, dieselbe Polarität aufweisen.
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Mit einer derartigen Anordnung gibt die gegenseitige
Abstoßung der diametral gegenüberliegenden Permanentmagnete dem
Rotor die magnetischen Pole, deren Anzahl gleich der
doppelten Anzahl der Permanentmagnete ist.
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Die Permanentmagnete werden in die entsprechenden
Schlitze eingeführt, radial in dem Material mit einer hohen
magnetischen Permeabilität gehalten und dadurch das Wegfliegen der
Permanentmagnete aufgrund einer Rotation bei hoher Drehzahl
verhindert. Demzufolge ist die Notwendigkeit für das den
Außenumfangs des Rotors abdeckende Element, um das Wegfliegen
der Permanentmagnete zu verhindern, beseitigt, und demzufolge
kann auch ein durch die Verwendung eines solchen Elementes
bedingter Eisenverlust minimiert werden. Der Eisenverlust
wird ferner durch das Herstellen des Joches aus den
geschichteten Stahlblechen reduziert.
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Die Permanentmagnete weisen einen einfachen Aufbau auf
und erfordern keine hohe Präzision bei der Endbearbeitung.
Diese führt zu einer deutlich vereinfachten Herstellung der
Permanentmagnete.
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Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen
des Rotors für einen bürstenlosen Elektromotor bereit,
welches die Schritte aufweist: Herstellen der sich durch das
Joch hindurch erstreckenden Schlitze, wobei der Innenumfang
des jeden Schlitz bildenden Jochs mit Vorsprüngen ausgebildet
wird, Füllen der Schlitze mit einem Pulver eines magnetischen
Materials, das mit einem Epoxid-Binder vermischt ist.
Preßformen dieses Gemisches in einem magnetischen Feld, das im
wesentlichen in radialer Richtung bezogen auf die
Rotationswelle des Rotors angelegt ist, und Aushärten des
preßgeformten Gemisches mittels einer Wärmebehandlung, so daß die
Permanentmagnete direkt in den Schlitzen mit den Vorsprüngen in
dem Joch ausgebildet werden.
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Die Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
die Fig. 1 bis 17 und 22 bis 25 nicht erfindungsgemäße
Beispiele sind, aber zur Erleichterung des Verständnisses der
Erfindung und zur Offenbarung bevorzugter Merkmale der
Erfindung beigefügt sind, und die Fig. 28 bis 30 ein Beispiel
eines herkömmlichen bürstenlosen Elektromotor und Teilen davon
darstellen. In den Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht, welche einen bürsten
losen Elektromotor darstellt, der ein Beispiel eines
Permanentmagnetrotors verwendet;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, welche den
Permanentmagnetrotor darstellt;
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Fig. 3 eine Vorderansicht, welche das Siliziumstahlblech in
diesem Beispiel des Permanentmagnetrotors darstellt;
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Fig. 4 eine schematische Ansicht, welche ein Muster
darstellt, das durch Linien in dem Permanentmagnetrotor
erzeugter magnetischer Kraft beschrieben wird, der in
dem bürstenlosen Elektromotor eingebaut ist;
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Fig. 5 eine Vorderansicht, welche ein zweites Beispiel des
Permanentmagnetrotors darstellt, in welchem die
magnetischen Pole unterschiedliche Breiten aufweisen;
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Fig. 6 eine Vorderansicht, welche ein drittes Beispiel des
Permanentmagnetrotors darstellt, in welchem jeder
magnetische Pol mit einer Anzahl von Schlitzen
versehen ist;
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Fig. 7 eine schematische Ansicht, welche ein Muster dar
stellt, das durch Linien magnetischer Kraft
beschrieben wird, die in dem dritten Beispiel des
Permanentmagnetrotors erzeugt wird, der mit den Schlitzen
versehen und in dem bürstenlosen Elektromotor eingebaut
ist;
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Fig. 8 eine Vorderansicht, welche ein viertes Beispiel des
Permanentmagnetrotors mit sechs magnetischen Polen
darstellt;
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Fig. 9 eine Schnittansicht, welche in vergrößertem Maßstab
eine in einem fünften Beispiel des
Permanentmagnetrotors ausgebildete Brücke darstellt;
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Fig. 10 eine Draufsicht auf ein Siliziumstahlblech in einem
sechsten Beispiel des Permanentmagnetrotors;
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Fig. 11 ein Magnetfeld-Analysediagramm, welches ein Muster
darstellt, das durch Linien magnetischen Flusses
unter Lastdrehmoment beschrieben wird;
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Fig. 12 eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche
ein siebentes Beispiel des Permanentmagnetrotors
darstellt;
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Fig. 13 eine Schnittansicht, die den Rotor von Fig. 12 im
zusammengebauten Zustand darstellt;
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Fig. 14 ein Diagramm, welches ein durch Linien magnetischen
Flusses beschriebenes Muster darstellt, welches nach
dem endgültigen Zusammenbau der Komponenten für die
Bildung eines magnetischen Kreises beobachtet wird;
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Fig. 15 eine Schnittansicht entlang der Achse, welche den
bürstenlösen Elektromotor dargestellt, der den
Permanentmagnetrotor gemäß dem ersten Beispiel verwendet;
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Fig. 16 eine perspektivische Ansicht, welche ein achtes
Beispiel des Permanentmagnetrotors darstellt;
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Fig. 17 eine Schnittansicht entlang der Achse, welche den
bürstenlosen Elektromotor dargestellt, der den
Permanentmagnetrotor gemäß dem achten Beispiel verwendet;
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Fig. 18 eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine
erste Ausführungsform des Permanentmagnetrotors
darstellt;
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Fig. 19 eine Schnittansicht dieses Permanentmagnetrotors, wie
es quer zu dessen Rotationswelle zu sehen ist;
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Fig. 20 eine Schnittansicht, welche teilweise das Joch in
diesem Permanentmagnetrotor in einem vergrößertem
Maßstab quer zu dessen Achse darstellt;
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Fig. 21 eine Schnittansicht, welche teilweise das Joch in
einer Variante dieser Ausführungsform in einem
vergrößertem Maßstab quer zu dessen Achse darstellt;
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Fig. 22 eine perspektivische Ansicht entlang der Achse ,
welche ein neuntes Beispiel des Permanentmagnetrotors in
einem vergrößerten Maßstab darstellt;
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Fig. 23 eine perspektivische Ansicht, welche ein zehntes
Beispiel des Permanentmagnetrotors darstellt;
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Fig. 24 eine perspektivische Ansicht, welche eine Variante
dieses Permanentmagnetrotors darstellt;
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Fig. 25 eine Querschnittsansicht der Rotationswelle in diesem
Beispiel;
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Fig. 26 eine Seitenschnittansicht dieses
Permanentmagnetrotors, welche einen der Schritte in der Herstellung
darstellt;
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Fig. 27 eine perspektivische Ansicht eines
Schräg-Permanentmagnetrotors;
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Fig. 28 eine vertikale Schnittansicht, welche ein Beispiel
eines herkömmlichen bürstenlosen Elektromotors
darstellt;
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Fig. 29 eine perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel
eines herkömmlichen Permanentmagnetrotors darstellt;
und
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Fig. 30 eine perspektivische Ansicht, welche ein weiteres
Beispiel des Permanentmagnetrotors darstellt, welcher
mit einem Schutzelement versehen ist,
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Zu Beginn wird nun das erste Beispiel unter Bezugnahme
auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben.
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In Fig. 1 ist der insgesamt mit dem Bezugszeichen 20
bezeichnete bürstenlose Elektromotor dargestellt, welcher den
als die erste Ausführungsform der Erfindung aufgebauten
Permanentmagnetrotor 7 besitzt. Der bürstenlose Elektromotor 20
weist ein Motorgehäuse (d.h., einen Stator) 2, der aus einer
zylindrischen Seitenwand 3 besteht, und eine vordere
Stirnplatte 4 und eine hintere Stirnplatte 5 auf. Innerhalb der
Seitenwand 3 sind mehrere Antriebsspulen 6 so angeordnet, daß
sie eine zylindrische Anordnung bilden und an der
Innenoberfläche der Seitenwand 3 befestigt sind. Der Rotor 7 ist mit
einer konzentrischen daran befestigten Rotationswelle 8
versehen. Die Rotationswelle 8 ragt aus den gegenüberliegenden
Enden des Rotor 7 hervor, so daß sie an dem einem Ende in
einem durch die hintere Stirnplatte 5 des Motorgehäuses 2
gehaltenem Lager 10 gelagert wird und das andere Ende in einem
durch die vordere Stirnplatte 4 des Motorgehäuses 2
gehaltenen Lager 12 gelagert wird. Innerhalb der Seitenwand 3 des
Motorgehäuses 2 ist ein ringförmiges Element 13 vorgesehen,
daß zum Haltern mehrere Polsensoren 14 in der Weise ausgelegt
ist, daß diese Sensoren 14 in geeigneter Weise eng an der
einen Endoberfläche des Rotors 7 anliegend positioniert werden.
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In diesem bürstenlosen Elektromotor 20 detektieren die
magnetischen Polsensoren 14 Positionen der magnetischen Pole
des Rotors 7 und als Antwort darauf versorgt eine (nicht
dargestellte) Steuerschaltung die entsprechenden Antriebsspulen
6 mit elektrischen Strom, so daß eine Wechselwirkung
elektrischen Stromes und magnetischen Flusses eine Drehung des Rotor
7 bewirkt. Nach einer Drehung auf diese Weise, präsentiert
der Rotor nun neue magnetische Polpositionen zur nochmaligen
Detektion durch die magnetischen Polsensoren 14, worauf die
Steuerschaltung die anderen Antriebsspulen 6 mit elektrischem
Strom versorgt, was eine nochmalige Drehung des Rotors
bewirkt. Ein derartiger Betriebsablauf wird wiederholt, und
dadurch der Rotor 7 kontinuierlich gedreht. Die auf diese Weise
erzeugte Drehkraft wird als eine Bewegungskraft über die
Rotationswelle 8 aus dem elektrischen Motor entnommen.
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Fig. 2 stellt denselben Rotor 7 wie den dar, der in dem
bürstenlosen Elektromotor 20 von Fig. 1 eingebaut ist, und
Fig. 3 stellt ein den Rotor 7 aufbauendes Siliziumstahlblech
22 dar. Ein Joch 21 der Rotors 7 weist mehrere solcher
Siliziumstahlbleche 22 auf, welche in der axialen Richtung der
Rotationswelle 8 übereinandergeschichtet sind und zu einem
Stück durch verstemmte rechteckige Vertiefungen 23 der
jeweiligen Bleche 22 vereint sind, die unter Kraftaufwand
miteinander in Eingriff gebracht werden,.
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Jedes aus einem Material mit hoher magnetischer
Permeabilität hergestellte Siliziumstahlblech 22 ist auf seiner
Oberfläche mit einem anorganischen Isolationsfilm einer Dicke von
etwa 0,35 mm oder 0,5 mm beschichtet. Wie aus Fig. 3 deutlich
zu ersehen ist, weist das Siliziumstahlblech 22 vier
magnetische Pole 24a, 24b auf, die sich radial zu ihren gekrümmten
Außenenden hin erstrecken und sukzessiv voneinander in einen
Winkel von etwa 90º beabstandet sind. Von diesen magnetischen
Polen ist ein Paar diametral gegenüberliegender magnetischer
Pole 24a symmetrisch zu der Rotationsachse mit entsprechenden
Schlitzpaaren 25 für die Unterbringung entsprechender
Permanentmagnet 30 und 31 versehen. Da das Paar magnetischer Pole
24a jeweils mit dem Paar der Schlitze 25 versehen ist, sind
der Außenendeabschnitt und der Wurzelabschnitt jedes
magnetischen Pols 24a miteinander über schmale Brücken 26 verbunden,
die an seitlich gegenüberliegenden Enden jedes Schlitzes 25
ausgebildet sind. Jedes Siliziumstahlblech 22 ist in der
Mitte mit einer Öffnung 27 für die Unterbringung der
Rotationswelle 8 versehen, und diese Öffnung 27 ist entlang einem Teil
ihres Umfangs mit einer Keilnut 28 versehen.
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Die Rotationswelle 8 weist über ihren
Längsmittenabschnitt einen vergrößerten Durchmesser auf, und dieser im
Durchmesser vergrößerte Abschnitt ist so konfiguriert, daß er
enganliegend von der Öffnung 27 aufgenommen wird. Nachdem die
Siliziumstahlbleche 22 zu einem Stück für die Erzeugung des
Joches 21 geschichtet sind, wird die Rotationswelle 8 in die
Öffnung 27 eingesetzt. Der im Durchmesser vergrößerte
Zwischenabschnitt der Rotationswelle ist wiederum dadurch, daß
er einen Keil 29 aufweist, für einen Eingriff mit der Keilnut
28 angepaßt, so daß sich der Rotor 7 nicht getrennt von der
Rotationswelle 8 drehen kann.
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Obwohl das Joch 21 Siliziumstahlbleche 22 aufweist, die
in dieser Ausführungsform zu einem Stück geschichtet sind,
können die Siliziumstahlbleche 22 durch kaltgewalzte
Stahlbleche (SPCC) zur Erzeugung des Joches 21 ersetzt werden.
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Ein Paar von Permanentmagneten 30 und 31 wird dann in das
Paar der Schlitze 25 eingesetzt, wobei deren N-Pole einander
diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Da die N-Pole
dieser Permanentmagnete 30 und 31 einander gegenüberliegen
und einander abstoßen, sind die magnetischen Pole 24a S-
gepolt, während die magnetischen Pole 24b N-gepolt sind,
wodurch der 4-polige Rotor bereitgestellt wird.
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Fig. 4 stellt ein Muster magnetischer Kraftlinien dar,
welche von dem in dem Elektromotor eingebauten Rotor 7
erzeugt werden. Gemäß Darstellung verlaufen die von dem N-Pol
des Permanentmagneten 30 ausgehenden Linien magnetischer
Kraft durch die Brücken 26 zu dem S-Pol und es wird ohne wei
teres eine gesttigte magnetische Flußdichte erzielt, da die
entsprechenden Breiten der Brücken 26 ausreichend schmal
dimensioniert sind. Zwischen jedem Paar benachbarter 8-Pole 24a
und N-Pole 24b gibt es eine Einkerbung 24' und die Linien
magnetischer Kraft erzeugen Pfade, welche sich von der
Polfläche des magnetischen Pols 24b durch die Innenseite der
Antriebsspulen 6, dann durch die Polfläche des magnetischen
Pols 24a zu dem S-Pol, gemäß Darstellung in Fig. 4, unter der
wechselseitigen Abstoßung der diametral gegenüberliegenden
selben Pole der Permanentmagnete 30, 31 erstrecken. Die
verstemmten Abschnitte 23 sind rechteckig und ihre Längsseiten
sind in einem Winkel von 45º bezogen auf eine Richtung
angeordnet, in welcher der Magnetismus des Rotors 7 orientiert
ist, so daß sie keine Störung für die Linien magnetischer
Kraft darstellen.
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Gemäß diesem Beispiel ist jedes Siliziumstahlblech mit
mehreren sich von dem Außenumfang des Bleches radial nach
außen erstreckenden magnetischen Polen versehen, und diese
magnetischen Pole sind abwechselnd für die Unterbringung der
entsprechenden Permanentmagnete mit Schlitzen versehen, so
daß die Seiten dieser Permanentmagnete, die der
Rotationswelle gegenüberliegen, dieselbe Polarität aufweisen können. Bei
einer derartigen Anordnung erzeugt die wechselseitige
Abstoßung der diametral gegenüberliegenden magnetischen Pole den
Rotor mit den magnetischen Polen, deren Anzahl gleich der
doppelten Anzahl der Permanentmagnete ist.
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Zusätzlich werden die Permanentmagnet in entsprechende
Schlitze eingeführt und insbesondere radial in den hoch
permeablen Material gehalten und dadurch ein unbeabsichtigtes
Wegfliegen aufgrund einer Rotation bei hoher Drehzahl
vermieden. Demzufolge ist die Notwendigkeit des zur Abdeckung des
Außenumfangs des Rotors verwendeten Elementes, um das
Wegfliegen der Permanentmagnet zu verhindern, beseitigt und
demzufolge kann auch ein durch die Verwendung eines solchen
Elementes bedingter Eisenverlust minimiert werden. Der
Eisenverlust
kann ferner noch zuverlassig durch das Herstellen des
Joches aus den geschichteten Stahlblechen reduziert werden.
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Ferner weisen die Permanentmagnete gemäß dieser
Ausführungsform eine einfache Konfiguration auf und erfordern keine
hohe Präzision bei der Endbearbeitung der Oberflächen. Diese
erlaubt einer erhebliche Vereinfachung der Herstellung der
permanentmagnete.
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Anschließend wird das zweite Beispiel, unter Bezugnahme
auf Fig. 5 beschrieben.
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Gemäß Fig. 5 kehren die Linien von den N-Polen des
Permanentmagneten 30 ausgehender magnetischer Kraft teilweise zu
dem S-Pol ohne Durchlaufen der Polfläche des magnetischen
Pols 24b aufgrund einer sogenannten magnetischen Flußleckage
zurück, und daher überschreitet ein Gesamtbetrag des
magnetischen Flusses auf der Polfläche des magnetischen Pols 24a den
auf der Polfläche des magnetischen Pols 24b, wenn die
Polfläche des magnetischen Pols 24a eine Breite W1 gleich einer
Breite W2 der Polfläche des magnetischen Pols 24b aufweist.
Im Hinblick darauf sind in dem vorliegendem Beispiel die
Abmessungen der Breite W2 größer, so daß Gesamtbeträge des
magnetischen Flusses auf den Polflächen der magnetischen Pole
24a und 24b gleich werden, und dadurch ein gleichförmiges
Drehmoment erzeugt werden kann.
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Das dritte Beispiel wird nun unter Bezugnahme auf die
Fig. 6 und 7 erläutert.
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In diesem Beispiel sind gemäß Darstellung in Fig. 6 die
magnetischen Pole 24a, 24b mit Schlitzen 33 versehen, die in
Übereinstimmung mit den von den entsprechenden magnetischen
Polen 24a, 24b erzeugten Magnetismusrichtungen ausgerichtet
sind. Im allgemeinen erreichen die von dem N-Pol ausgehenden
Linien magnetischer Kraft den S-Pol über kürzere Pfade und
demzufolge ist eine an gegenüberliegenden Enden auftretende
magnetische Flußdichte höher als die an einem mittleren
Abschnitt der Polfläche des magnetischen Pols 24a auftretende
im Vergleich zu der der Ausführungsform von Fig. 4. Um eine
solche unerwünschte Tendenz zu beseitigen versieht das vor
liegende Beispiel die magnetischen Pole mit den Schlitzen 33
wodurch die Linien magnetischer Kraft gezwungen werden
entlang der Schlitze aus den Polflächen auszutreten oder
einzutreten.
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Fig. 7 stellt ein von den Linien magnetisches Kraft in
diesem Beispiel beschriebenes Muster dar. Gemäß Darstellung
werden die von N-Polen des Permanentmagneten 30 ausgehenden
Linien magnetischer Kraft von den Schlitzen 33 des
magnetischen Pols 24b vor dem Durchlaufen der Antriebsspulen 6
geführt, dann von den Schlitzen des magnetischen Pols 24a
geführt und kehren dann zu dem S-Pol des Permanentmagneten 30
zurück. Die Linien magnetischer Kraft werden somit
gleichmäßig durch die Schlitze 33 auf derselben Polfläche verteilt,
und demzufolge ist auch das dadurch erzeugte Drehmoment
gleichmäßig. Auf diese Weise wird eine Wärmeverteilung in dem
Permanentmagnetrotor verbessert und ein Kühlbereich
vorteilhaft vergrößert.
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Nun wird ein viertes Beispiel unter Bezugnahme auf Fig. 8
beschrieben.
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In Fig. 8 ist ein 6-poliger Rotor 7 in einer
Schnittansicht dargestellt. In diesem Beispiel sind die jeweils sich
nach außen erstreckenden magnetischen Pole 24a, 24b, 24c in
einem Winkel von 60º voneinander beabstandet, und diese
magnetischen Pole sind einander abwechselnd mit
Permanentmagneten 34a, 34b 34c versehen, die so darin eingeführt sind, daß
die N-Pole dieser Magnete nach innen weisen. Das Joch 21 ist
zentral mit der Öffnung 27 für die Unterbringung der
Rotationswelle versehen und die Öffnung 27 ist weiter mit der
Keilnut 28 versehen, um eine Drehung der Rotationswelle gegenüber
dem Rotor zu verhindern.
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Die jeweiligen Permanentmagnete 34a, 34b 34c sind diesem
Beispiel mit ihren N-Polen nach innen weisend angeordnet und
deshalb werden gemäß Darstellung die von den jeweiligen N
Polen austretenden Linien magnetischer Kraft von den N-Polen
der anderen Permanentmagnete abgestoßen und treten durch die
benachbarten Polflächen in die jeweiligen S-Pole ein. Auf
diese Weise sind die magnetischen Pole, welche die
zugeordneten Permanentmagnete enthalten, S-gepolt, während die keine
Permanentmagnete enthaltenden Pole N-gepolt sind.
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Obwohl dieses Beispiel aus einer gegossenen Praseodym-
(Pr)-Legierung hergestellte Permanentmagnete verwendet,
kmnen auch Permanentmagnete verwendet werden, die aus jedem Typ
besteht, der aus einer Gruppe gewählt wird, die aus Guß-Typen
(Z.B. Alnico- oder Praseodym-Magneten), Sinter-Typen (z.B.
Magneten aus Ferrit oder Seltenerde-Metallen) und Harzkleber-
Typen (z.B. Magneten aus Ferrit oder Seltenerde-Metallen)
besteht.
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Was die Permanentmagnete dieses Beispiels betrifft,
besteht jeder aus einer gewalzten Platte mit einer in axialer
Richtung gemessenen Dimension, die 2 bis 5-fach größer als
eine in Umfangsrichtung des Rotors gemessene Dimension ist
und weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Ein derartiges
Merkmal erleichtert den Herstellungsvorgang der
Permanentmagneten im Vergleich zu den herkömmlichen ziegelförmig
geformten Permanentmagneten. Zusätzlich kann die Notwendigkeit
präziser Abmessungen nach der Endbearbeitung eliminiert werden,
da die Permanentmagnete der Erfindung nicht mit der
Außenumfangsfläche des Joches verbunden werden. Ferner können die
Permanentmagnete der Erfindung aufgrund von Zentrifugalkraft
wegfliegen, da sie eng anliegend in den zugeordneten
Schlitzen 25 untergebracht werden und in dem hoch permeablen
Material gehaltert werden&sub5; Somit sind die Permanentmagnete der
Erfindung für Elektromotoren mit hoher Drehzahl geeignet.
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Was die Siliziumstahlbleche 22 betrifft, welche zusammen
das Joch 21 bilden, kann jedes davon lediglich durch einen
Preßformvorgang hergestellt werden, wodurch nicht nur eine
hohe Produktivität erreicht wird sondern auch ein Rotor mit
genauen Außenabmessungen erzielt werden kann und somit die
Realisierung eines Elektromotors mit hohem Wirkungsgrad
ermöglicht wird.
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Anschließend wird das fünfte Beispiel beschrieben.
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In diesem Beispiel enthalten die Brücken 26 Nuten, um den
Durchtritt des magnetischen Flusses zu begrenzen.
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In Fig. 9, welche teilweise den magnetischen Pol 24a in
einem vergrößerten Maßstab darstellt, verläuft ein Teil des
aus dem N-Pol des Permanentmagneten 30 austretenden Flusses
durch die Brücke 26 zu dem S-Pol dieses Permanentmagneten 30,
wie es in der Figur dargestellt ist. Dieser Teil des
magnetischen Flusses, der durch die Brücke 26 verläuft, durchtritt
niemals den Raum außerhalb des Jochs 21 und schneidet somit
niemals den Stator des Elektromotors. Demzufolge wird keine
Kraft für dem Rotationsantrieb des Rotor erzeugt. Durch
Minimierung des durch die Brücke 26 verlaufenden Betrags des
magnetischen Flusses kann die magnetische Kraft des
Permanentmagneten 30 effizienter genutzt werden.
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Der Teil des durch die Brücke 26 verlaufenden
magnetischen Flusses Φ kann gemäß folgender Gleichung berechnet
werden:
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Φ =B x S
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wobei S die Querschnittsfläche der Brücke 26 und B die
Magnetische Flußdichte des Siliziumstahlbleches 22 angibt.
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Aus dieser Gleichung ist offensichtlich, daß die
Querschnittsfläche S der Brücke 26 reduziert werden kann, um den
Betrag des durch die Brücke 26 verlaufenden magnetischen
Flusses zu minimieren.
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In diesem Beispiel ist jede Brücke mit einer den Fluß
begrenzenden Nut 26a versehen. Die Ausbildung einer derartigen
Nut 26a verringert dementsprechend die Querschnittsfläche der
Brücke 26 und begrenzt damit den Betrag des durch diese
Brükke 26 verlaufenden magnetischen Flusses.
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Das Vorsehen der vorstehend erwähnten den Fluß
begrenzenden Nuten 26a in den jeweiligen Brücken 26, 26 ermöglicht
eine effektive Begrenzung des durch die Brücken 26, 26
verlaufenden Betrags des magnetischen Flusses, so daß die
magnetische Kraft der Permanentmagnete effektiv genutzt werden kann
und somit ein Permanentmagnetrotor für einen höheren
Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Die Ausbildung der den Fluß begrenzenden Nuten 26a wird
durch aufeinanderfolgende Ausstanzschritte der einzelnen
Siliziumstahlbleche 22, Schichten dieser zum Herstellen des
Jochs 21 und zum Schluß dadurch ausgeführt, daß das Joch 21
unter Verwendung geeigneter Werkzeuge wie z.B. einer
Schleifvorrichtung mit den gewünschten Nuten 26a, 26a versehen wird.
Dieser Herstellungsvorgang der Nuten 26a, 26a ist einfacher
als das Stanzen der Siliziumstahlbleche 22, was die
Genauigkeit der Abmessungssteuerung betrifft, weshalb es möglich ist
die jeweiligen Brücken 26, 26 jeweils mit minimierten
Querschnittsflächen zu versehen. Demzufolge weist der
Permanentmagnetrotor im Vergleich zu dem herkömmlichen
Permanentmagnetrotor, welcher keine Nuten in den jeweiligen Nuten besitzt,
wegen seiner vereinfachten Herstellung und weil die Brücken
erheblich reduzierte Querschnitten besitzen, Vorteile auf.
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Das sechste Beispiel wird nun erläutert.
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In diesen Ausführungsform wird jede der Brücken 26 nur
an der Vorderseite des zugeordneten Schlitzes 25 in
Rotationsrichtung gesehen bereitgestellt.
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Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, sind die jeweiligen
Schlitze 25 halb geschlossene Schlitze. Insbesondere sind die
Brücken 26, welche jeweils die entsprechenden magnetischen
Polstücke 26b mit den Wurzeln der entsprechenden Magnetpole
verbinden, Hebeltypen und punktsymmetrisch bezogen auf die
Rotationsachse so konfiguriert, daß sie entsprechenden
Brükken 26 an den Vorderseiten aber keine Brücken an den
Rückseiten in der Rotationsrichtung aufweisen.
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Die Permanentmagnete 30 und 31 werden in axialer Richtung
in die entsprechenden Schlitze 25 des die
zusammengeschichteten Siliziumstahlbleche aufweisenden Joches 21 eingeführt.
Gemäß Darstellung in Fig. 10 sind die Siliziumstahlbleche an
den Seiten ohne Brücken mit Anschlägen 26c versehen, um ein
Herausfliegen der in die zugeordneten Schlitzen eingeführten
jeweiligen Permanentmagnete 30 und 31 während einer Rotation
des Rotors bei hoher Drehzahl zu verhindern.
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Fig. 11 stellt ein Muster eines unter einem
Lastdrehmoment auftretenden magnetischen Flusses auf der Basis einer
Feldanalyse dar. Eine Breite der Brücke 26 entspricht einer
Breite eines Leckflusses und eine Dicke des Permanentmagneten
30 entspricht einer Dicke des an beiden Enden auftretenden
Leckflusses.
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Auf diese Weise fließt gemäß Darstellung in Fig. 11 der
Leckfluß durch die Brücke 26 und der Fluß ist sowohl in der
Brücke als auch in dem Abschnitt des magnetischen Polstückes
gesättigt der sich an die Brücke angrenzend erstreckt.
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Demzufolge wird sogar unter Laststrom der aus den
Permanentmagneten 30 und 31 austretende Fluß nicht ohne weiteres
durch das magnetische Polstück 26a abgelenkt und demzufolge
der Umfangsmittelpunkt des magnetischen Pols nicht ohne
weiteres unter Last verschoben. Solche Bedingungen sind für die
Anwendung eines sogenannten sensorlosen Verfahrens günstig.
Der linke Halbabschnitt jedes magnetischen Polstückes erzeugt
bezogen auf dessen Mittelpunkt einen größeren Betrag an
magnetischem Fluß, da kein Leckfluß auf der keine Brücke
aufweisenden Seite auftritt, und demzufolge der entlang der
Brücke auftretende Leckfluß den Gesamtbetrag des magnetischen
Flusses nicht wesentlich reduziert.
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Nun wird das siebente Beispiel beschrieben.
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In diesem Beispiel werden seitlich gegenüberliegende
Enden 30a und 31a der entsprechenden Permanentmagnet 30 und 31,
die der Brücke 36 zugewandt sind, sowie axial
gegenüberliegende Enden 30b und 31b dieser Permanentmagnete mit
nichtmagnetischem Material abgedeckt.
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Gemäß Fig. 12 sind aus Aluminium oder einem
nichtmagnetischen Material wie z.B. aus rostfreiem Stahl bestehende
Abstandshalter 32 in der Form von Rahmen vorgesehen, die dafür
ausgelegt sind, die seitlich gegenüberliegenden Enden und die
axial gegenüberliegenden Enden der entsprechenden
Permanentmagnete
30 und 31 zu überdecken. Jeder Rahmen ist dafür aus
gelegt, den zugeordneten Magneten enganliegend unterzubringen
und weist eine Höhe auf, die etwas kleiner als die Höhe des
Magnetes ist, so daß der Magnet (wenn er untergebracht ist)
nicht zu weit über den Rahmen hervorsteht.
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Der Zusammenbau erfolgt durch Einführen der
Permanentmagnete 30 und 31 in die entsprechenden Abstandshalter 32 in
der Magnetisierungsrichtung gefolgt von dem Einführen der
entsprechenden Unteranordnungen in die Schlitze 25 des Jochs
21, um eine in der Schnittansicht von Fig. 13 dargestellte
Konfiguration zu erhalten.
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Fig. 14 stellt eine Verteilung des magnetischen Flusses
nach dem Einbau der Anordnung in den magnetischen Kreis dar.
Wie es aus Fig. 14 ersichtlich ist, dienen die an den
seitlich gegenüberliegenden Enden des Permanentmagneten 30
angeordneten nichtmagnetischen Abstandshalter 32 dazu, einen Fluß
des magnetischen Flusses zu verhindern und dadurch zum
Sicherstellen, daß der magnetische Fluß aus dem Magneten im
wesentlichen ohne Leckage austritt. Auf diese Weise kann der
Leckfluß reduziert und der effektive Spaltfluß aufrecht
halten werden.
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Zusätzlich ist die Höhe jedes Abstandhalters so
ausgelegt, daß sie etwas größer als die Dicke des darin
aufgenommenen Permanentmagneten ist, und diese Dimensionierung ist
dahingehend vorteilhaft, daß dann, wenn der Magnet zusammen
mit dem zugeordneten Abstandshalter in den Schlitz des Jochs
eingeführt wird, der Magnet niemals mit dem Schlitz des Jochs
in Kontakt kommt. Demzufolge können Bedenken, daß die
Magnetoberfläche beschädigt werden oder rosten könnte, eliminiert
werden.
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Anschließend wird das achte Beispiel beschrieben.
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Wie es aus Fig. 16 ersichtlich ist, ist dieses Beispiel
durch eine Anordnung in der Weise gekennzeichnet, daß das
Joch 21 eine sich axial durch sich hindurch erstreckende
Öffnung 15 für die Unterbringung der Rotationswelle 8 aufweist,
wobei die Öffnung 15 einem Durchmesser aufweist, der größer
als der Außendurchmesser der Rotationswelle 8 ist, und daß
die Rotationswelle 8 durch die Öffnung 15 in im wesentlichen
konzentrischer Anordnung zu einem Leckfluß-dichten Element 16
aufgenommen wird, das zwischen der Außenumfangsoberfläche der
Rotationswelle 8 und der Innenwand der Öffnung 15 eingefügt
ist, so daß das Joch 21 zu einem Stück mit der Rotationswelle
8 durch die Zwischenschaltung dieses Leckfluß-dichten
Elementes 16 verbunden werden kann.
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Insbesondere durchtritt, wie es aus Fig. 15 ersichtlich
ist, der in dem Rotor 7 des bürstenlosen Elektromotors gemäß
Anspruch 1 erzeugte magnetische Fluß den Raum außerhalb des
Rotor 7 unter dem Zwischenpol-Abstoßungseffekt der
Permanentmagnete 30 und 31 und schneidet dann einen Statorkern 17.
Magnetische Pole diese Statorkerns 17 erzeugen ein magnetisches
Feld, das für eine Drehung unter der Auswirkung durch die
Antriebsspulen 6 fließender Ströme ausgelegt ist. Der
Permanentmagnetrotor 7 wird von dem rotierenden Feld, das von den
magnetischen Polen des Statorkerns 17 erzeugt wird, in
drehender Weise angetrieben.
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Der Permanentmagnetrotor 7 weist eine Öffnung auf, die
sich zentral durch das Joch 21 erstreckt und einen
Durchmesser besitzt, der im wesentlichen dem Außendurchmesser der
Rotationswelle 8 entspricht, um die Rotationswelle 8
unterzubringen. Zum Zusammenbau des Permanentmagnetrotor 7, wird das
Joch 21 erwärmt, so daß sich die Öffnung 15 thermisch
ausdehnt, und die Rotationswelle 8 dann unter Kraftaufwand darin
eingeführt. Dann kann das Joch 21 abgekühlt werden, um die
Innenwand der Öffnung in einen engen Kontakt mit der
Außenumfangsoberfläche der Rotationswelle 8 zu bringen und dadurch
die Rotationswelle 8 zu einem Stück mit dem Joch 21 zu
verbinden.
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Bei dem Zusammenbau des Ausgleichsgewichte an axial
gegenüberliegenden Endflächen des Jochs 21 aufweisenden
Permanentmagnetrotors werden diese Ausgleichsgewichte in einem
getrennten Vorgang hergestellt und anschließend die
Rotationswelle
8 unter Kraftaufwand in die sich durch die
Ausgleichsgewichte und das Joch hindurch erstreckende Öffnung
eingeführt.
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Bei dem vorstehend erwähnten Beispiel eines
Permanentmagnetrotors für einen bürstenlosen Elektromotor bestehen
Bedenken, daß der magnetische Fluß teilweise durch das Innere
der Rotationswelle verläuft und dann außerhalb der axial
gegenüberliegenden Endflächen des Permanentmagnetrotors leckt.
Diese Teilleckage des magnetischen Flusses verhindert einen
Überschneidung des magnetischen Flusses mit dem Statorkern
und demzufolge trägt die magnetische Kraft der
Permanentmagnete nicht effektiv zur Rotation des Elektromotors bei,
wodurch der Wirkungsgrad des bürstenlosen Elektromotors
verschlechtert wird.
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Demzufolge ist es eine Aufgabe dieser achten
Ausführungsform, einem Permanentmagnetrotor für bürstenlose
Elektromotoren bereitzustellen, der so verbessert ist, daß die
Flußleckage, welche anderenfalls oft außerhalb der axial
gegenüberliegenden Endoberfläche des Rotor auftritt, im
wesentlichen vermieden und die Herstellung des Permanentmagnetrotor
erleichtert werden kann.
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Gemäß Darstellung in Fig. 16 weist der
Permanentmagnetrotor 7 die sich durch ihn erstreckende zentrale Öffnung 15 für
die Unterbringung der Rotationswelle 8, das aus
Aluminiumdruckguß bestehende Leckfluß-dichte Element 16 zwischen dem
Joch 21 und der Rotationswelle 8 und die aus
Aluminiumdruckguß bestehenden Ausgleichsgewichte 18 an den axial
gegenüberliegenden Endflächen des Jochs 21 auf. Das
Aluminiumdruckgußmaterial weist eine Fluß-abschirmende Eigenschaft auf, durch
welche der magnetische Fluß daran gehindert wird, sowohl das
Element 16 als auch die Ausgleichsgewichte 18 zu passieren.
Demzufolge wird der durch die Rotationswelle 8 hindurch zu
den axial gegenüberliegenden Enden hin verlaufende
magnetische Fluß durch das Leckfluß-dichte Element 16 und die
Ausgleichgewichte 18 abgeschirmt und kann nicht von der axial
gegenüberliegenden Endflächen des Jochs nach außen treten.
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Wenn ein derartiger Permanentmagnetrotor 7 für den
bürstenlosen Elektromotor verwendet wird, verlaufen alle
magnetischen Flußlinien durch die Flächen rechtwinklig zu der
Rotationswelle 8 und schneiden effektiv den Statorkern 17. Mit
einer Stromspeisung der Antriebsspulen 6 wird ein
Rotationsfeld in den magnetischen Spulen des Statorkerns 17 in der
Weise erzeugt, daß der Permanentmagnetrotor durch die
Wechselwirkung des in dem Statorkern erzeugten rotierenden Feldes
und des magnetischen Flusses in dem Permanentmagnetrotor in
drehender Weise angetrieben wird. Demzufolge ist das
Drehmoment um so größer, je größer der Betrag des den Statorkern
schneidenden magnetischen Flusses ist. Mit dieser
spezifischen Anordnung des Permanentmagnetrotors 7, kann dessen
magnetischer Fluß effektiv in Rotationskraft umgewandelt
werden, da der gesamte von den Permanentmagneten 30 und 31
erzeugte magnetische Fluß den Statorkern 17 ohne von den axial
gegenüberliegenden Endflächen des Jochs 21 nach außen
auszutreten schneidet.
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Ferner weist dieses Beispiel des Permanentmagnetrotors 7
die Rotationswelle 8 lose in die sich durch diesen hindurch
erstreckende Öffnung 15, das Leckfluß-dichte Element 16 und
die Ausgleichsgewichte 18 eingeführt auf, wobei die
Komponenten 16 und 18 in einem Stück aus Aluminiumdruckgußmaterial
hergestellt sind. Diese einzigartige Anordnung macht es
vorteilhaft möglich, nicht nur einen getrennten
Herstellungsvorgang für die Ausgleichsgewichte, sondern auch noch einen
Zusammenbauvorgang dieser Ausgleichsgewichte mit dem Joch zu
einem Permanentmagnetrotor zu eliminieren, und erleichtert
damit die Herstellung des Permanentmagnetrotors 7.
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Obwohl dieses Beispiel als die Ausgleichsgewichte mit
enthaltend beschrieben wurde, wird auch dann, wenn der
Permanentmagnetrotor nur mit dem Leckfluß-dichten Element versehen
ist, ein Verlauf des magnetischen Flusses durch die
Rotationswelle effektiv verhindert, so daß der Wirkungsgrad des
Elektromotors verbessert wird.
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Ferner ist das Leckfluß-dichte Element nicht darauf be
schränkt, aus Aluminiumdruckgußmaterial zu bestehen, sondern
es kann auch ein ähnlicher Effekt erreicht werden, wenn das
Element aus einem anderen Material mit einer niedrigeren
magnetischen Permeabilität&sub1; wie z.B. aus Harz besteht.
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Nun wird die erste Ausführungsform der Erfindung
beschrieben.
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Diese Ausführungsform ist durch eine einzigartige
Anordnung in der Weise gekennzeichnet, daß die den Schlitz 25
bilden Innenumfangsoberfläche des Jochs 21 mit Vorsprüngen
versehen ist, welche für einen Eingriff mit den zugeordneten
Permanentmagneten 30 und 31 ausgelegt sind, die unter
Kraftaufwand in diesen Schlitz eingeführt werden.
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Wie es aus den Fig. 18 und 19 ersichtlich ist, sind die
die Schlitze 25, 25 bildenden Innenumfänge des
Siliziumstahlbleche 22 mit mehreren Kanten 36 versehen, welche jeweils von
zwei Seiten eines in den Schlitz 25 hinein ragenden Dreiecks
gebildet werden.
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Die Permanentmagnete 30 und 31 kommen mit den Spitzen der
entsprechenden Kanten 36 in Eingriff, wenn sie unter
Kraftaufwand in die entsprechenden Schlitze 25 eingeführt werden
und werden dadurch innerhalb der entsprechenden Schlitze 25
gehaltert. Bedingt durch die Kanten 36 stehen die
Permanentmagnete in keinem Oberflächenkontakt mit der
Innenumfangsoberfläche der entsprechenden Schlitze 25. Demzufolge können
die Permanentmagnete 30 und 31 unter Aufwendung einer kleinen
Kraft ohne wesentlichen Reibungswiderstand in die
entsprechenden Schlitze 25 eingeführt werden.
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Nach der unter Kraftaufwand erfolgten Einführung in die
entsprechenden Schlitze, stehen die Außenoberflächen der
Permanentmagnete gemäß Darstellung in einem festen Eingriff mit
den Spitzen der entsprechenden Kanten, und ein Herausfallen
der Permanentmagnete wird zuverlässig verhindert. In dieser
Ausführungsform des Permanentmagnetrotors 7 wird kein Kleber
verwendet, um die Permanentmagnete 30 und 31 in den
entsprechenden
Schlitzen 25 zu festzuhalten, und daher gibt es keine
Bedenken, daß die Permanentmagnete aufgrund einer Auflösung
des Klebers in einem Kühlmittel oder einem unter Druck
stehendem Fluid herausfallen können, wenn der Elektromotor in
einem solchen Kühlmittel oder unter Druck stehendem Fluid
verwendet wird.
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Gemäß Darstellung in Fig. 20 sind die zum
übereinanderschichten der Siliziumstahlbleche 22 verstemmten Vertiefungen
23 in der Nähe des Innenumfangs der die Schlitze 25 bildenden
Siliziumstahlbleche 22 angeordnet. Die verstemmten
Vertiefungen 23 werden durch ein teilweise Verstemmen der
Siliziumstahlbleche mittels eines Metallform-Preßvorgangs erzeugt.
Die Erzeugung dieser verstemmten Vertiefungen in der Nähe der
Innenumfänge ermöglicht, daß diese Umfangskante durch einen
Druck der Metallform so verformt wird, daß sie Kanten 36
erzeugen, welche von den entsprechenden Schlitzen 25 aus nach
innen ragen. Auf diese Weise wird der zur Erzeugung der
vorstehenden Kanten 36 erforderliche Vorgang zum Teil
eliminiert, was eine Vereinfachung der Herstellung des
Permanentmagnetrotors 7 ermöglicht.
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Fig. 21 stellt das Joch teilweise in einer Variante
dieser Ausführungsform dar.
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In dieser Variante weist jede in den Siliziumstahlblechen
22 ausgebildete Kante 36 einen dreieckigen Vorsprung 37 auf,
welcher für einen Eingriff mit dem (nicht dargestellten)
Permanentmagnet ausgelegt ist, und Einkerbungen 38, die an
beiden Seiten an beiden Enden der Basis des dreieckigen
Vorsprungs 37 ausgebildet sind. Die Basis des dreieckigen
Vorsprungs 37 ist an dem Innenumfang der den Schlitz 25 bilden
den Siliziumstahlbleche 22 und in dem Joch 21 angeordnet. Der
dreieckige Vorsprung 37 ist über die Einkerbungen 38 mit dem
den Schlitz bildenden Innenumfang der Siliziumstahlbleche
verbunden.
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Für einen festen Eingriff mit dem Permanentmagnet muß der
dreieckige Vorsprung jeder Kante einen vertikalen Winkel
kleiner als ein vorbestimmtes Gradmaß und eine vorbestimmte
Höhe aufweisen. Besonders große vertikale Winkel des
dreiekkigen Vorsprungs erfordern eine entsprechend große Kraft für
das Einführen des Permanentmagneten in die Schlitze. Wenn die
Kante nicht die vorbestimmte Höhe aufweist, wird die Kante
verformt, wenn der Permanentmagnet unter Kraftaufwand in den
Schlitz eingeführt wird, und wird nicht wie erwartet
funktionieren. Jedoch kann eine Ausstattung des den Schlitz der
Siliziumstahlbleche bildenden Innenumfangs mit der den
gewünschten vertikalen Winkel und die Höhe aufweisenden Kante
den Querschnitt des Permanentmagneten reduzieren, welcher
unter Kraftaufwand in den zugeordneten Schlitz eingeführt
werden kann, oder den Schlitz vergrößern. Dieses steht dem
Bedarf nach Kompaktheit und hohem Wirkungsgrad des
Elektromotors entgegen.
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Die Kante 36 in dieser spezifischen Ausführungsform weist
wie vorstehend erwähnt den dreieckigen Vorsprung 37 und das
Paar der Einkerbungen 38 auf. Eine derartige Anordnung
erleichtert nicht nur das Einführen des Permanentmagneten ohne
Vergrößerung des Schlitzes 25 oder Verringerung der
Querschnittfläche des Permanentmagneten, sondern verhindert auch
das zufällige Herausfallen durch den effektiven Eingriff mit
dem Permanentmagneten, nachdem dieser unter Kraftaufwand in
den Schlitz geschoben wurde.
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Obwohl die vorliegende Erfindung als den für den Eingriff
mit dem Permanentmagneten ausgelegten dreieckigen Vorsprung
enthaltend erläutert wurde, ist die Form des Vorsprungs nicht
auf das Dreieck beschränkt und es kann beispielsweise ein
Vorsprung mit einer halbkreisförmigen Spitze mit kleinem
Radius ebenfalls verwendet werden.
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Ferner ist das Joch nicht auf das aus den geschichteten
Siliziumstahlblechen bestehende eingeschränkt und kann
beispielsweise aus einem einteiligen metallischen Block
bestehen, welcher dem Schlitz aufweist, in welchen der
Permanentmagnet unter Kraftaufwand eingeführt wird und in dem die an
dem Innenumfang des Schlitzes ausgebildeten Vorsprünge für
einen Eingriff mit dem Permanentmagnet ausgelegt sind.
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Anschließend wird das neunte Beispiel beschrieben.
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Dieses spezifische Beispiel ist durch eine Anordnung in
der Weise gekennzeichnet, daß nach dem Einführen der
Permanentmagnete 30 und 31, welche kürzer als die axiale Länge des
Jochs 21 sind, in die entsprechenden Schlitze 25, die sich in
den entsprechenden Schlitzen ergebenden Hohlräume mit einem
geeigneten Kittmaterial mit Gewichten gewählt in Abhängigkeit
von einer Schwerpunktsverschiebung des in drehender Weise
anzutreibenden Objektes gefüllt werden und die
Ausgleichsgewichte 39 damit geformt sind, wenn das Kittmaterial
ausgehärtet ist.
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Fig. 22 stellt den mit den in der vorstehen beschriebenen
Art erzeugten Ausgleichsgewichten versehenem
Permanentmagnetrotor 7 dar, wobei bei diesem Permanentmagnetrotor 7 die
entsprechenden Permanentmagnete 30 und 32 kürzer als die
axiale Länge des Jochs 21 sind, so daß sie die Hohlräume in
den entsprechenden Schlitzen 25 bilden. Gemäß Darstellung in
der Figur werden diese Hohlräume mit Kittmaterial ausgefüllt,
das aus einem feinen metallischen Pulver gemischt mit Harz
besteht, und dieses Kittmaterial wird gehärtet, um die
entsprechenden Ausgleichsgewichte 39 zu erzeugen.
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Das Joch 21 des Permanentmagnetrotors 7 enthält diese
Ausgleichsgewichte 39 und 39 auf den Seiten der
entsprechenden Permanentmagnete 30 und 31, welche einander axial
gegenüberliegen, weshalb der Schwerpunkt des Joch 21 zu den axial
gegenüberliegenden Enden des Jochs 21 hin verschoben ist.
Demzufolge kann eine Schwingungsmodusverstärkung, welche
anderenfalls in einem die Rotationswelle und den exzentrischen
Rotor aufweisenden Gesamtsystem auftreten würde, vermieden
werden und Vibrationen des exzentrischen Rotors aufgrund
seiner Rotation absorbiert werden.
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In Fig. 22 sind die Ausgleichsgewichte 39 und 39 im
Gewicht angepaßt, daß sie einen derartigen Zweck zu erfüllen.
Insbesondere wird ein Verhältnis des metallischen Pulvers zu
dem Harz so gewählt, daß die Ausgleichsgewichte 39 und 39 die
Schwingungsmodusverstärkung, welche möglicherweise in dem die
Rotationswelle und den exzentrischen Motor aufweisenden Ge
samtsystem auftreten kann, kompensieren können, wobei die
entsprechenden Hohlräume in den Schlitzen 25 mit dem in
diesem Verhältnis gemischten Kittmaterial gefüllt werden.
Alternativ wird die Menge des Kittmaterials für jedes
Ausgleichsgewicht 39 angepaßt und die entsprechenden Hohlräume werden
mit verschiedenen Mengen des Kittmaterials gefüllt, das die
Ausgleichsgewichte 39 erzeugt. Es dürfte selbstverständlich
sein, daß das Kittmaterial nicht auf das Gemisch eines metal
lischen Pulvers und von Harz beschränkt ist, sondern daß auch
Aluminiumdruckgußmaterial verwendet werden kann.
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Gemäß vorstehender Beschreibung werden die
Ausgleichsgewichte für dieses Beispiel des Permanentmagnetrotors
innerhalb des Jochs erzeugt und weisen keine aus den axial
gegenüberliegenden Enden des Jochs hervorstehende Abschnitte auf.
Daher erfahren die Ausgleichsgewichte keinen Fluidwiderstand
während der Rotation. Zusätzlich gibt es keine Bedenken, daß
die Ausgleichsgewichte unter Einwirkung einer
Zentrifugalkraft wegfliegen könnten, da die Ausgleichsgewichte innerhalb
des Jochs angeordnet sind. Dieses macht es möglich, einen
Permanentmagnetrotor zu erhalten, welcher einen
ausgezeichneten Rotationsantriebswirkungsgrad aufweist und bei dem nicht
zu befürchten ist, daß die Ausgleichsgewichte während des
Betriebs zufällig wegfliegen können.
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Zum Schluß wird nun das zehnte Beispiel beschrieben.
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Dieses spezifische Beispiel ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor eine Kühlvorrichtung in sich aufweist.
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Gemäß Fig. 23 sind ein Paar Wärmerohre 19, 19 so in dem
Joch 21 eingebettet, daß sie sich in der Nähe der
entsprechenden Permanentmagnete 30 und 31 befinden, und diese
Wärmerohre 19, 19 sind mit einem Betriebsfluid gefüllt, mittels
welchem ein Wärmeaustausch erfolgt. Insbesondere absorbiert
ein Wärme absorbierender Abschnitt jedes innerhalb des Jochs
21 liegenden Wärmerohrs die Wärme des Jochs und ein aus dem
Joch herausstehender Abstrahlungsabschnitt strahlt die
Innenwärme ab. Das durch den Wärmeaustausch mit der Atmosphäre
abgekühlte Betriebsfluid kehrt in den Wärme absorbierenden
Abschnitt des Wärmerohrs 19 zurück. Auf diese Weise strahlen
die Wärmerohre 19, 19 kontinuierlich die Innenwärme der
Permanentmagnete sowie des Joches an die Außenseite ab und
kühlen somit den Permanentmagnetrotor.
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In Fig. 24 und 25 ist eine Variante dieses Beispiel
dargestellt, in welcher die Rotationswelle 8 auch als das
Wärmerohr dient. Eine derartige Anordnung stellt einen
Permanentmagnetrotor bereit, welcher vollständig geschlossen ist
und die Innenwärme nach außen abführen kann. Es dürfte
selbstverständlich sein, daß eine derartige Anordnung eine
gesinterte Legierung, massives Eisen oder kaltgewalzten Stahl
(SPCC) für das Joch verwenden kann.
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Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemgß
den offenbarten Beispielen und der Ausführungsform der
Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist,
wird der Permanentmagnetrotor durch ein Verfahren
hergestellt, welches im allgemeinen die Schritte aufweist:
Herstellen des Jochs, das mit den Schlitzen für die
Unterbringung entsprechender Permanentmagnete versehen ist, Herstellen
der Permanentmagnete, welche jeweils so konfiguriert sind,
daß sie in die entsprechenden Schlitze des Jochs passen, und
Einführen dieser Permanentmagnet unter Kraftaufwand in die
entsprechenden Schlitze des Jochs.
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Insbesondere werden das Joch 21 und die Permanentmagnete
30 und 31 getrennt hergestellt, und dann diese so
hergestellten Permanentmagnete in das Joch eingeführt, um den
Permanentmagnetrotor 7 herzustellen. Das Joch 21 wird durch
Aufeinanderschichten mehrerer Siliziumstahlbleche 22
hergestellt, und jedes Siliziumstahlblech 22 wird so durch
Ausstanzen konfiguriert, daß es die magnetischen Pole 24, 24a,
24b, 24c entlang seines Außenumfangs aufweist und Öffnungen
innerhalb der magnetischen Pole, durch welche sich die
Permanentmagnete hindurch erstrecken. Zusätzlich wird jedes
Siliziumstahlblech 22 mit den rechteckigen verstemmten
Vertiefungen
23 versehen, welche durch Pressen mit einem Metallstempel
erzeugt werden.
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Die verstemmten Vertiefungen 23 der entsprechenden
Siliziumstahlbleche 22 können unter Kraftaufwand ineinander ge
staucht werden, um die Siliziumstahlbleche zu einem Stück zu
schichtweise zu verbinden und dadurch das Jochs 21
herzustellen. Die Öffnungen der entsprechenden Siliziumstahlbleche 22
sind zueinander ausgerichtet, so daß sie die entsprechenden
Schlitze für die Unterbringung der zugeordneten
Permanentmagnet 30 und 31 bilden.
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Die Permanentmagnete werden durch ein Verfahren
hergestellt, welche im allgemeinen die Schritte aufweist: Mischen
eines Pulvers eines magnetischen Materials mit einem Epoxid-
Binder; Gießen dieses Gemisches in eine Form und Formen
dieses Gemisches in einem magnetischen Feld in eine gegebene
Konfiguration; Aushärten dieses geformten Gemisches durch ein
Wärmebehandlung; Bearbeiten der Oberfläche dieses geformten
und gehärteten Gemisches in eine zu dem Schlitz 25 des Jochs
21 passende Form.
-
Die auf die vorstehend beschrieben Weise erhaltenen
Permanentmagnete werden unter Kraftaufwand in die entsprechenden
Schlitze 25 des Jochs 21 eingeführt, um dem
Permanentmagnetrotor 7 zu vervollständigen.
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Nachstehend wird ein weiteres Verfahren für die
Herstellung der Permanentmagnete für bürstenlose Elektromotoren
beschrieben, welches insbesondere anzuraten ist, um die
Herstellung eines Permanentmagnetrotors zu erleichtern, welcher
darin Permanentmagnete mit einer relativ komplizierten Form
enthält, ohne die Permanentmagnete während des Einbaus zu
beschädigen.
-
Dieses alternative Verfahren weist die Schritte auf:
Herstellen der sich durch das Joch hindurch erstreckenden
Schlitze, Füllen der Schlitze mit einem Pulver eines
geeigneten magnetischen Materials, das mit einem Epoxid-Binder
vermischt ist. Preßformen dieses Gemisches in einem magnetischen
Feld,
das im wesentlichen in radialer Richtung bezogen auf
die Rotationswelle des Rotors angelegt ist, und Aushärten des
preßgeformten Gemisches mittels einer Wärmebehandlung, so daß
die Permanentmagnete direkt in den Schlitzen mit den
Vorsprüngen in dem Joch geformt werden.
-
Fig. 26 stellt das Verfahren zum Herstellen der
Permanentmagnete innerhalb der Schlitze dar. Gemäß Darstellung
wird das Joch 21 auf einem Sockel 42 mit Spulen 41 plaziert.
Auf der Oberseite des Jochs 21 sind mit Öffnungen 43, welche
alle dieselbe Konfiguration wie der Schlitz 25 aufweisen,
versehene Schablonen 40 und Kompressionskolben 44 angeordnet.
Jede Schablone 40 ist zusätzlich mit einer Spule 45 versehen.
Die Schlitze 25 des Jochs 21 werden mit einem Rohmaterial 46
der Permanentmagnete gefüllt, das aus dem magnetischen Pulver
gemischt mit dem Epoxid-Binder besteht. Angesichts des
Umstandes, daß das Rohmaterial 46 der Permanentmagnete im
Volumen reduziert wird, wenn es zusammengepreßt wird, wird jeder
Schlitz mit einer Menge an Rohmaterial gefüllt, welche größer
als das Volumen des Schlitzes ist, so daß das Rohmaterial 46
teilweise in die Öffnung 43 der Schablone 40 gedrückt wird.
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An die Spulen 41, 45 wird elektrischer Strom angelegt, um
einen magnetischen Fluß zu erzeugen, welcher sich gemäß
Darstellung durch die Mitte des Jochs 21 hindurch und dann durch
die entsprechenden Schlitze hindurch von innen nach außen
erstreckt und dadurch ein magnetisches Feld erzeugt, welches
das Rohmaterial 46 der die entsprechenden Schlitze 25
füllenden Permanentmagnete schneidet. Anschließend werden die
Kompressionskolben 44 unter Kraftaufwand, beispielsweise mittels
Öldruck in einer durch P in Fig. 26 angezeigte Richtung
bewegt und dadurch das Rohmaterial 46 zu den entsprechenden
Permanentmagneten preßgeformt.
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Nach dem Preßformvorgang wird das Joch 21 von den
Schablonen 40 und dem Sockel 42 entfernt und einer
Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 100ºC bis 150ºC unterworfen, um
die darin enthaltenen Permanentmagnete zu härten.
-
Auf diese Weise werden die Permanentmagnete innerhalb der
entsprechenden Schlitze 25 des Rotors 7 gemäß Darstellung in
Fig. 4 und anderen Figuren hergestellt. Diese
Permanentmagnete sind durch die Auswirkung des während der Preßformung
angelegten magnetischen Feldes an ihren Innenseiten als S-Pole
und an ihren Außenseite als N-Pole magnetisiert. Die
Permanentmagnete 30 und 31 sind mit ihren magnetischen Polflächen
so angeordnet, daß sich dieselben Pole gegenüberliegen, so
daß deren gegenseitige Abstoßung bewirkt, daß sich der
magnetische Fluß gemäß Darstellung von dem magnetischen Pol 24a
aus zu dem magnetischen Pol 24b hin erstreckt. Dieser
magnetische Fluß schneidet den (nicht dargestellten) Stator des
Elektromotors, welcher in der Nähe des Außenumfangs des
Joches angeordnet ist, und die Wechselwirkung zwischen dem
magnetisch Fluß und dem Stator bewirkt, daß der
Permanentmagnetrotor 7 in drehender Weise angetrieben wird.
-
Wie vorstehend erwähnt, ermöglicht dieses Verfahren zum
Herstellen eines Permanentmagnetrotors eine einfache
Herstellung der Permanentmagnete ohne Beschädigung der Magnete, wenn
diese unter Kraftaufwand in die entsprechenden Schlitze des
Jochs eingeführt werden, da die Permanentmagnet direkt in dem
Joch hergestellt werden. Ferner ermöglicht dieses
einzigartige Verfahren die Herstellung von Permanentmagneten relativ
komplizierter Form innerhalb des Jochs, und ein derartiges
Merkmal zeigt eine wesentlichen Auswirkung insbesondere bei
einem sogenannten Schrägrotor, bei welchem das Joch die
magnetischen Pole entlang der axialen Richtung des
Permanentmagnetrotors schrittweise versetzt aufweist.
-
Gemäß Fig. 7 wird der schräge Permanentmagnetrotor 7
dadurch erhalten, indem mehrere Siliziumstahlbleche 22
übereinandergeschichtet werden, wobei die einzelnen
Siliziumstahlbleche sukzessiv in einem kleinem Winkel um die
Rotationswelle 8 herum versetzt angeordnet werden. Die in einem solchen
Permanentmagnetrotor 7 gebildeten entsprechendem Schlitze 25
weisen Wendelkurven auf. Auch bei Schlitzen 25 mit derart
komplizierter Form können die Permanentmagnete 30 und 31
direkt mittels desselben Verfahrens hergestellt werden, wie es
vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 26 beschrieben wurde.
-
Obwohl das vorstehende insbesondere für den
Permanentmagnetrotor beschriebene Verfahren ein Verfahren ist, in
welchem das Joch darin ein Paar Permanentmagnete aufweist und
entlang seines Außenumfangs mit vier magnetischen Polen
versehen ist, die durch die wechselseitige Abstoßung des Paars
der Permanentmagnete abwechselnd in N- und S-Polarität
magnetisiert sind, ist das Verfahren nicht auf die Herstellung
eines derartigen Permanentmagnetrotors mit einem Aufbau wie
vorstehend erwähnt beschränkt. Das Verfahren kann nämlich
auch zum direkten Herstellen von Permanentmagneten in dem
Joch auch bei einem Permanentmagnetrotor angewendet werden,
der entlang seines Außenumfangs eine beliebige Anzahl von
magnetischen Polen aufweist, oder sogar bei einem
Permanentmagnetrotor, welcher die Permanentmagnete in Zuordnung zu den
magnetischen Polen angeordnet hat.
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Obwohl das Verfahren unter der Annahme beschrieben wurde,
daß jeder Permanentmagnet einen rechteckigen Querschnitt
aufweist, kann der Permanentmagnet jede beliebige
Querschnittsform aufweisen.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht es,
einen Permanentmagneten mit hohem Wirkungsgrad leicht ohne die
Notwendigkeit einer Oberflächenbearbeitung während des
Herstellungsvorganges zu erhalten. Zusätzlich ermöglicht das
Verfahren eine effiziente Nutzung der Permanentmagnete, da es
keine Bedenken gibt, daß die Permanentmagnete während des
Herstellungsvorgangs beschädigt werden könnten.
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Das Verfahren kann auch für Schlitze mit relativ
komplizierten Konfigurationen eingesetzt werden, da die
Permanentmagnet direkt in den entsprechenden Schlitzen des Jochs
hergestellt werden. Das Verfahren ermöglicht nicht nur das
leichte Herstellen von Permanentmagneten mit relativ
komplizierten Querschnittsformen sondern ermöglicht auch eine
leichte Herstellung eines gekrümmte Schlitze aufweisenden
Permanentmagnetrotors.
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Wie es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich
wird, ermöglicht der Permanentmagnetrotor einen bürstenlosen
Elektromotor mit vereinfachten Aufbau, welcher aber weiter
einen hohen Wirkungsgrad aufweist und für einen Betrieb bei
hohen Drehzahlen geeignet ist.