Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen gewickelten Rotorhüllkörper für einen Elektromotor,
wobei der Rotor Permanentmagnete aufweist.
Hintergrund der Erfindung
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Rotoren mit Permanentmagneten bestehen aus einem zylindrischen Kern, der üblicherweise aus
massivem Eisen oder Eisenlaminat besteht und um den mehrere Magnete, üblicherweise in Form
gebogener Platten, sitzen, sowie aus einem Rotorfüllkörper, der an der Außenseite der Magnete
angeordnet ist, um sie nahe am Kern zu halten, wodurch radial oder in Umfangsrichtung erfolgende
Relatiwerschiebungen zwischen den Teilen während des Motorbetriebs vermieden werden, wenn die
Magnete Zentrifugalkräften, die sie üblicherweise vom Rotorkern entfernen, Momentkräften
(Scherkräften), welche die Verschiebung der Magnete um den Rotorkern in Umfangsrichtung
verursachen, und durch Wärme verursachten Spannungen ausgesetzt sind. Aufgrund dieser Kräfte
bestimmt das Halten der Magnete am Rotor wesentlich den Wirkungsgrad des Motors.
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Neben der Funktion, die Magnete nahe am Rotorkern zu halten, verhindert der Hüllkörper, wie zuvor
dargelegt, auch das Abfallen und Ablösen von Magnetbruchteilen infolge der auf sie einwirkenden
Kräfte.
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Bei einer bekannten Lösung hat der Rotorhüllkörper die Form eines Metallrohrs, das die Baugruppe
aus Magnet und Kern umgibt. Dennoch hat die Verwendung solcher Hüllkörper aus einem dünnen
Material, üblicherweise Eisen, Stahl, Messing, Kupfer, Aluminium usw., obwohl sie das Halten der
Magnete am Kern ermöglicht, den Nachteil, daß sie induzierte elektrische Ströme auftreten läßt, die
zu elektrischen Verlusten und folglich zu Wirkungsgradverlusten des Motors führen.
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Eine Lösung zum Vermindern der Wirkung dieser induzierten Ströme besteht darin, dünne Hüllkörper
zu verwenden, die aus dünnen Stahlblechen bestehen. Die Dickeverringerung, die erforderlich ist,
damit die Hüllkörper keinen merklichen elektrischen Verlust bewirken, erschwert jedoch deren
Handhabung während des Herstellungsverfahrens; zudem wird der Hüllkörper in seiner Stützfunktion
geschwächt. Wenn die Hüllkörper aufgrund der Betriebsbedingungen des Gerätes, in dem der Rotor
montiert ist, anhaltenden, langen Temperatur- und Rotationsveränderungen ausgesetzt sind, können
sie zudem irreversible Verformungen erfahren.
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Es sind auch andere Hüllkörperlösungen bekannt, z. B. das Formen von Hüllkörpern durch Wickeln
unter Verwendung von Materialien wie Kevlarfasern, Glasfasern, Kohlefasern und eines Klebemittels,
wobei die Baugruppe aus Magnet und Rotorkern gegebenenfalls vorgespannt wird.
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Ein Vorteil der Verwendung gewickelter Hüllkörper mit solchen Materialien ist die Möglichkeit, die
Hüllkörper an die Größenveränderungen der Magnete, die von deren Herstellungsverfahren
herrühren, anzupassen. Obwohl diese Lösungen die Probleme des Haltens der Magnete am Kern und
ihrer Größenveränderungen lösen, sind die Hüllkörper aus den im Stand der Technik bekannten
Materialien dennoch strukturell zerbrechlich, und zwar in erster Linie hinsichtlich der Stabilität der
Enden.
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Bei den bekannten Techniken werden die gewickelten Rotorhüllkörper für Elektromotoren durch
Wickeln (oder Spulen) eines Streifens oder eines Bündels aus Fasermaterial, das üblicherweise mit
einem Harz imprägniert ist, um die Baugruppe aus Magnet und Rotorkern hergestellt und später über
einen bestimmten Zeitraum bei einer Temperatur gehärtet, die ausreicht, um die für den
Rotorhüllkörper erforderliche Steifigkeit zu erzielen. Die so erhaltenen Hüllkörper haben einige
Nachteile, die üblicherweise damit zusammenhängen, daß ein erstes Ende des Bündels aus zu
wickelndem Fasermaterial gehalten werden muß, um mit dem Wickeln zu beginnen, und daß die
Enden des Materialstreifens während der Härtungsphase und auch später während der Lebensdauer
des Rotors gehalten werden müssen. Bei einer bekannten Lösung werden die Probleme des Haltens
der Streifenenden dadurch minimiert, daß die Anzahl der Schichten des gewickelten
Verbundmaterialstreifens erhöht und das Wickeln des Materials längs eines Abschnitts der Baugruppe
aus Magnet und Rotorkern begonnen und beendet wird, der von den Enden der Baugruppe entfernt
ist. Obwohl diese Lösung die mit dem Halten der hüllkörperbildenden Materialenden verbundenen
Probleme und auch die Probleme der Unterbrechung an den Endbereichen der Baugruppe aus
Magnet und Rotorkern minimiert, vergrößert die Dickezunahme dieses Hüllkörpers den Luftspalt, was
den Leistungsgrad des Motors herabsetzt.
Offenbarung der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotorhüllkörper bereitzustellen, der aus einem
Faserbündel gewickelt ist und der nicht nur das Problem, daß sich die Streifenenden in einer
Herstellungsphase des Hüllkörpers oder auch während des Rotorbetriebs lösen, minimiert, sondern es
auch zuläßt, daß ein Hüllkörper mit minimaler Dicke erhalten und damit der Luftspalt im Motor
verringert sowie die Sicherheit des Rotors erhöht wird.
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Ein besonderes Ziel besteht darin, einen Hüllkörper mit den zuvor genannten Eigenschaften
bereitzustellen, der mit einer einzigen Schicht aus Material erhalten wird, die um die Baugruppe aus
Magnet und Rotorkern gewickelt ist.
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Diese und andere Ziele werden mit einem gewickelten Rotorhüllkörper für einen Elektromotor erreicht,
wobei der Rotor folgendes umfaßt: einen Rotorkern, Magnete, die um den Kern herum angeordnet
sind, und einen Hüllkörper, der aus einem Faserbündel um eine äußere zylindrische Fläche der
Magnete gewickelt ist, wobei der Hüllkörper mindestens einen peripheren Endabschnitt aufweist, der
auf einer ringförmigen Stützfläche sitzt, die relativ zur äußeren zylindrischen Fläche der Magnete
radial nach hinten versetzt ist und auf den benachbarten Endflächen der Magnete aufsitzt, wobei er
zumindest teilweise die radiale Erweiterung von der Außen- zur Innenseite der Magnetedflächen
bedeckt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Rotorkern/Magnet/Rotorhüllkörper-Anordnung eines
Elektromotors;
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Fig. 2 in Teilansicht und im Längsschnitt schematisch eine Baugruppe aus Magnet und Rotorkern,
die von einem Hüllkörper umgeben ist, nach einer Bauweise der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 in Teilansicht und im Längsschnitt schematisch eine Baugruppe aus Magnet und Rotorkern,
die von einem Hüllkörper umgeben ist, nach einer anderen Bauweise der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 in Teilansicht und im Längsschnitt schematisch einen Teil einer Baugruppe aus Magnet und
Rotorkern, die von einem Hüllkörper umgeben ist, nach einer Bauvariante der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 5 in Teilansicht und im Längsschnitt schematisch einen Teil einer Baugruppe aus Magnet und
Rotorkern, die von einem Hüllkörper umgeben ist, nach einer weiteren Variante der vorliegenden
Erfindung.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotorhüllkörper 10 für einen Elektromotor der einen
Rotorkern 20 aufweisenden Baurt, welcher so angebracht wird, daß er zumindest einen Teil einer
Rotorwelle umgibt, und um den Magnete 30 üblicherweise in Form gebogener Magnetplatten sitzen,
die gegen eine zylindrische Außenfläche 21 des Rotorkerns 20 zur Anlage kommen, vorzugsweise
längs zweier Ausrichtungen von in Längsrichtung verlaufenden Vorsprüngen, welche in Kontakt mit
der Fläche stehen und in Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnet sind, wobei die
Magnete 30 durch die Wirkung des Rotorhüllkörpers 10 gegen den Rotorkern 20 gehalten werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Rotorhüllkörper 10 durch das stetige schraubenförmige
Wickeln eines Faserbündels erhalten, das z. B. aus einem Verbundwerkstoff, wie Kevlar, Kohlefasern
oder Glasfasern besteht und mit Harz um eine zylindrische Außenfläche 31 der Magnete 30
kombiniert ist, um das Härten des Hüllkörpers während seiner Härtungsphase zu ermöglichen. Es
versteht sich, daß das Wickeln mit einem Faserbündel mit einem Verbundwerkstoff (einer während
der Herstellung oder während des Wickelvorgangs vorrmprägnierten Faser) oder mit einem trockenen
Material und nachträglicher Imprägnierung des Faserbündels mit Harz erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung läßt es zu, daß ein Rotorhüllkörper 10 mit einer Seitenwand hergestellt
wird, die mit einer Mindestzahl von Schichten aus dem Verbundwerkstoff-Faserbündel die Magnete 30
umgibt, wobei die Seitenwand vorzugsweise aus einer einzigen Schicht des Verbundwerkstoff-
Faserbündels so gebildet ist, daß der durch die Schicht erzeugte Luftspalt den Wirkungsgrad des
Motors nur sehr geringfügig beeinflußt.
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Um die seitliche Dicke des Rotorhüllkörpers 10 der vorliegenden Erfindung zu minimieren, ohne
Gefahr zu laufen, daß seine Enden sich lockern oder geschwächt werden, ist jedes der Enden des
Verbundwerkstoff-Faserbündels in einem entsprechenden peripheren Endabschnitt 11 des
Rotorhüllkörpers 10 eingeschnürt. Diese Bauweise, bei der beide Enden des Verbundwerkstoff-
Faserbündels an den peripheren Abschnitten des Hüllkörpers eingeschnürt sind, ist zwar bevorzugt,
doch es sind auch andere Lösungen möglich, bei denen nur eines der Enden längs der Seitenwand
des Hüllkörpers eingeschnürt ist, wenn die Seitenwand durch Wickeln von mehr als einer Schicht des
Verbundwerkstoffs seiner Formgebung gebildet wird, bis eine vorbestimmte Dickegrenze erreicht ist,
ab der eine merkliche Änderung des Motorwirkungsgrades gegeben ist.
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Jeder periphere Endabschnitt 11 wird während des Wickelns des Faserbündels um die Magnete 30
erhalten, indem das Faserbündel auf eine ringförmige Stützfläche gesetzt wird, die relativ zum
zylindrischen Außenabschnitt 31 der Magnete 30 radial nach hinten versetzt gebildet ist und
vorzugsweise die gesamte radiale Erstreckung von der Außenseite zur Innenseite einer benachbarten
Endfläche 32 der Magnete 30 einnimmt. Der periphere Endabschnitt 11 des Hüllkörpers 10 kann in
seiner Konstruktion die radiale Erstreckung von der Außen- zur Innenseite der benachbarten
Endfläche 32 der Magnete 30 auch nur teilweise abdecken.
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Jeder periphere Endabschnitt 11 weist ein Profil auf, das auf einer Seite durch das Profil der
benachbarten Endfläche 32 der Magnete 30 und auf der anderen Seite durch ein Formelement 40
festgelegt ist, das bei einer bevorzugten Ausführung durch eine abschließende Endkappe gebildet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die ringförmige Stützfläche, die axial und wahlweise von einer
der Seiten einer die benachbarte Endfläche 22 des Rotorkerns enthaltenden Ebene vorspringt, dort
durch die Endfläche 32 der Magnete 30 gebildet, wo sie zur Baugruppe aus Magnet und Rotorkern
vorspringt, und dort durch einen benachbarten peripheren Endabschnitt 41 des Formelementes 40
gebildet, wo sie sich axial vom Rotorkern 20 entfernend vorspringt. Wenn dies auch nicht dargestellt
ist, so kann die ringförmige Stützfläche doch auch gleichzeitig axial von beiden Seiten der Ebene
beabstandet sein.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Bauweise fällt die ringförmige Stützfläche mit dem peripheren
Endabschnitt 41 des Formelementes 40 zusammen, wobei dieser Abschnitt vorzugsweise geneigt und
in einem axialen Abstand vom Rotorkern 20 verläuft.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Bauweise fällt die ringförmige Stützfläche mit der benachbarten Endfläche
32 der Magnete 30 zusammen, die vorzugsweise vollständig abgeschrägt ist, aber auch nur teilweise
abgeschrägt sein kann.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Bauweise weist das Formelement 40 einen Randabschnitt auf, der in
einer Ebene liegt, welche sich von der des Mittelabschnitts des Elementes unterscheidet, z. B. in einer
Ebene, die oberhalb der Mittelabschnittsebene liegt, welche benachbart einem entsprechenden Ende
des Rotorkerms 20 angeordnet ist, um eine ringförmige Stützfläche mit rechteckigem Querschnitt zu
bilden. Bei der in Fig. 5 gezeigten Bauvariante wird ein ähnliches Profil für die ringförmige
Stützfläche mit einem Formelement 40 erhalten, das flach ist, bei dem jedoch die Magnete 30 eine
Längserstreckung aufweisen, die geringer als die des Rotorkerns 20 ist, wobei die Form der
ringförmigen Stützfläche damit benachbart mindestens einer der Endflächen der Magnete 30 erhalten
wird.
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Bei anderen nicht dargestellten Bauweisen weist die benachbarte Endfläche der Magnete 30 ein
rechteckiges oder gekrümmtes Profil auf, das dem Profil ähneln kann, welches für den Randabschnitt
41 des Formelementes 40 gezeigt ist.
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Bei einer möglichen Bauart, bei der das Formelement 40 die Gestalt einer Abschlußkappe aufweist,
wird diese vom benachbarten peripheren Endabschnitt 11 des Rotorhüllkörpers 10 getragen, wobei
sie von diesem Abschnitt während einer Härtungsphase ihres Herstellungsverfahrens gehalten wird,
wenn die Abschlußkappe vor dem Wickeln des Verbundmaterialstreifens, der den Hüllkörper bildet,
benachbart einem entsprechenden Ende der Anordnung Magnet 30/Rotorhüllkörper 20 angeordnet
ist. Bei dieser Bauart liegt jede Abschlußkappe an einem benachbarten Ende des Rotorkerns 20 an
und ist an letzterem durch ein geeignetes Befestigungselement 42, z. B. einen Niet oder Bolzen
befestigt, wobei diese Befestigung nur hinsichtlich der Kappen relativ zum Rotorkern 20 verwendet
werden kann oder direkt die für das Zusammenhalten des Kerns verantwortliche Befestigung ist.
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Die Abschlußendkappen verleihen dem Rotorhüllkörper 10 während und nach Montage, Transport,
Lagerung usw. Stabilität, da die Stöße und die Gewichtswirkung direkt auf die Kappen, und nicht auf
die Hüllkörper einwirken, welche nicht nur dünn, sondern auch sehr stoßempfindlich sind, da die
Fasern sehr hart und meist zerbrechlich sind.
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Bei einer der Lösungen der vorliegenden Erfindung ist jede Endabschlußkappe 40 so gebildet, daß sie
während der Herstellung des Hüllkörpers ein benachbartes Ende des Faserbündels aus einem
hüllkörperbildenden Material hält und das Ablösen der Enden verhindert.
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Bei einer anderen Bauart werden die Endabschlußkappen am Rotorhüllkörper 10 befestigt, nachdem
sie mit dem Verbundmaterial-Faserbündel umwickelt und gehärtet wurden.
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Der periphere Endabschnitt weist zwar bei den dargestellten Bauarten eine Dicke auf, die von der
zylindrischen Außenfläche des Rotorkerns in radialer Richtung zunimmt, doch es sind auch andere
Bauweisen innerhalb des beschriebenen Rahmens möglich, z. B. solche mit einem peripheren
Endabschnitt 11 mit konstanter Dicke.