EP3459159A1 - Verfahren zur fixierung eines permanentmagnets in einem rotorblechpaket für eine elektrische maschine - Google Patents

Verfahren zur fixierung eines permanentmagnets in einem rotorblechpaket für eine elektrische maschine

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EP3459159A1
EP3459159A1 EP17720794.1A EP17720794A EP3459159A1 EP 3459159 A1 EP3459159 A1 EP 3459159A1 EP 17720794 A EP17720794 A EP 17720794A EP 3459159 A1 EP3459159 A1 EP 3459159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
permanent magnet
connecting element
plastic
rotor
liquefied
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17720794.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Fröhlich
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Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP3459159A1 publication Critical patent/EP3459159A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices

Definitions

  • the invention relates to technologies for fastening a permanent magnet or a plurality of permanent magnets within a rotor lamination stack for an electrical machine.
  • the invention relates to a method for fixing a
  • An internal permanent magnet electric machine generally includes a rotor having a plurality of alternating polarity permanent magnets around an outer periphery of a rotor lamination stack of the rotor.
  • the rotor is rotatable within a stator, which generally includes a plurality of windings and magnetic poles of alternating polarity.
  • the configuration of permanent magnets in internal-permanent-magnet electric machines is radially symmetric, that is, symmetrical with respect to an origin.
  • such electrical machines can produce unwanted torque ripple, which can lead to unwanted vibration and noise.
  • the permanent magnets in the rotor lamination stack are chamfered to reduce the torque ripple. This can be done, for example, such that the permanent magnets are placed at an axial angle relative to each other or the permanent magnets are rotated stepwise.
  • Such skewing is a proven technique, which is used to reduce harmonics, the cogging torque, Torqeripple and noise.
  • a continuous or a stepwise restriction can be provided.
  • first of the laminated core stacks are fitted with permanent magnets in the rotor structure. Subsequently, the respective laminated core stacks are packetized or assembled at an axial angle relative to one another relative to the complete rotor laminated core.
  • the permanent magnets are inserted into grooves provided for them and either clamped by additional elements or glued into the slot openings.
  • gluing is the predominant technology, which, however, does not require elaborate techniques in assembly and recycling, such as separating the permanent magnets from the engine components.
  • the use of adhesive also causes a considerable effort that must be met depending on the adhesive used ent ⁇ speaking safety regulations because of possibly evaporating solvent or the like. Regardless of the type of electrical machine is still particularly in the case of buried permanent magnets due to the large forces and moments occurring, eg. As the Zentrifu ⁇ galkraft and the starting torques, the attachment of Perma ⁇ nentmagnete of enormous importance.
  • Widespread is a fastening the permanent magnets in the corresponding grooves or receptacles (pockets) by adhesives, such as epoxy resins or Silikonma ⁇ materials (silicone elastomers and silicone resins).
  • adhesives such as epoxy resins or Silikonma ⁇ materials (silicone elastomers and silicone resins).
  • the adhesive joining the corresponding surface of the magnetic recording of the rotor be ⁇ relationship as the stator is not wetted completely and uniformly, and thus obtain good adhesion between the permanent magnet and laminated core. Uneven adhesion can lead to uneven mechanical loading of the laminated core. This can lead to a deformation of the laminated core and a detachment of the permanent magnets.
  • a simple structure of a rotor is to be made possible, which is inexpensive to produce.
  • an accurate and permanent fixation or attachment of the permanent magnets within the rotor laminated core should be ensured even at high dynamic load.
  • the inventive method for fixing a perma- nentmagnets in a laminated rotor core for an electric machine includes providing at least one Perma ⁇ nentmagnets and a stacked rotor core packet with ⁇ we tendonss a receptacle for the permanent magnet.
  • the Perma ⁇ nentmagnet is inserted into a connecting element made of plastic. Furthermore, the connecting element and the
  • the connecting element is caused to oscillate by ultra ⁇ sound waves, so that the plastic of the connection elements ⁇ is liquefied. Further, a positive connection of the permanent magnet and the rotor laminated core to the connecting element by means of liquefied plastic Ver ⁇ binding element takes place.
  • ultrasonic waves are used as mechanical oscillations of about 20 kHz to the permanent magnet as physicallybettendes part or the connecting element as a plastic part, which surrounds the Constant ⁇ tende part abutting him, adjacent to him or preferably touches him via a sonotrode in To put vibrations, preferably in resonance.
  • Heated boundary surface friction between the permanent magnet, the plastic of the connecting member and the rotor laminated core (typi cally ⁇ made of metal), preferably with a defined contact pressure on ⁇ , the plastic is at the interface n
  • Friction heat is thereby generated (metal), which melts the plastic in a relatively thin layer, so that this e.g. can penetrate into undercuts of the rotor core.
  • the frictional heat is above the softening or melting range of the plastic of the connecting element, so that virtually no additional stresses build up within the plastic.
  • the melting or plasticizing of the plastic can be carried out in particular at the ends and on the circumference of the connecting element.
  • a heat required for plasticizing the plastic of the connecting element is generated by a conversion of ultrasonic vibrations into mechanical vibrations and preferably with a certain contact pressure, for example via a sonotrode, a workpiece to be reshaped (connecting element).
  • Molecular and boundary surface friction generates heat that increases the damping coefficient of the plastic.
  • the plastic begins to soften. This reaction is accelerated by itself, because due to the increase of the attenuation factor a rising share of vibration ⁇ energy is converted into heat. Are absorbed and reflected at the boundary surface to the workpiece to be taken ⁇ mechanical vibrations. Due to the arising
  • Hard and amorphous plastics such as ABS, PS, PC, SAN and PMMA can be processed well in the ultrasonic method described above, whereby vibrations can be well forwarded over longer distances.
  • semi-crystalline plastics such as PP, PA, POM and PE
  • the induced vibrations are strongly damped. Therefore, these materials can usually only be edited in the immediate environment.
  • Fillers glass fiber, talc, plasticizers, flame retardant additives, wood flour, chalk, lubricants, etc.
  • Test pieces often provide insights for an optimal result.
  • Vibration range is preferably in a range between 25 and 40 ym. This range has proved to be advantageous, since in this area stresses and cracking can be avoided, which can occur more frequently with increasing amplitude.
  • the inventive method with its above-described ultrasonic melt-forming offers an alternative when adhesive methods reach their limits.
  • the plastic of the connecting element can be liquefied with ultrasonic energy and cavities of the carrier material (Ro ⁇ torblechken) or incorporated into porous structures of the permanent magnet. In this way, the plastic of the connecting element can embed the permanent magnet in the pockets of the rotor core.
  • Such an "embedding method for magnets with ultrasound" is suitable for series production, in contrast to the bonding of permanent magnets into the pockets of the rotor. ⁇
  • Blattvers is an automatable and well recyclable process. Immediately after curing of the plastic, the finished component is fully loadable and can be immediately further processed, packed and delivered to the customer.
  • Cycle times can be reduced by three to six times compared to bonding processes.
  • a setting time in the traditional adhesive mounting is many times higher to ensure sufficient curing.
  • the connection is stronger and more durable than the traditional adhesive bond.
  • ultrasound embedding is based on a high-tech process, while the traditional gluing method is variable in terms of different factors. The innovative ultrasonic process is thus more reliable and reproducible. Furthermore, the results are better controllable, measurable and traceable in quality control.
  • the displacement of the connecting element into vibrations by means of ultrasonic waves ⁇ takes place by a sonotrode.
  • the sonotrode thus represents the actual tool for carrying out the method according to the invention.
  • Vibrations take place indirectly via the permanent magnet.
  • the sonotrode can excite the permanent magnet to vibrations, which are transmitted to the plastic of the connecting element.
  • the sonotrode can also directly stimulate the plastic of the connecting element to vibrate.
  • the positive connection is effected by pressing liquefied plastic of the
  • the undercuts may be formed, for example, by ridges, steps or shoulders within the receptacle (s) of the rotor lamination stack.
  • the pressing of the liquefied plastic also takes place by means of the sonotrode. After pressing, cooling takes place associated with solidification of the plastic.
  • the required pressure can in particular depending on the dimensions and the melting point or Melting range of the preferred thermoplastic material to be adjusted in advance.
  • the liquefied plastic of the connecting element can be pressed al ⁇ ternatively or additionally in gaps or spaces between the rotor lamination. Furthermore, it can be advantageously provided that the positive connection takes place by pressing liquefied plastic of the connecting element into porous structures of the permanent magnet.
  • the connecting element is further set in resonance vibrations.
  • a plurality of connecting elements each having an inserted therein Perma be ⁇ nentmagnet in each case a recording of the rotor core packet inserted, enables the fasteners to oscillate by ultrasonic waves through plane sonotrodes, so that the plastic of the connecting elements is liquefied, and the permanent magnets and the rotor lamination stack, each one of the connecting elements are positively connected by means of liquefied plastic of the respective connecting element.
  • This embodiment allows embedding a plurality of permanent magnets or connecting elements with one or more sonotrodes in a working cycle.
  • the insertion of the permanent magnet into the connecting element made of plastic by encapsulation of the permanent magnet with plastic of the connecting element can lead to new approaches and product ideas that can be reliably implemented by the method according to the invention.
  • the encapsulation of individual permanent magnets provides a particularly high per ⁇ relia- bility over other joining methods such as bonding process or clamping method, and can in semi- or fully automated manufacturing cells.
  • the production of the composite component by overmolding of metal parts with thermoplastics in fully automated manufacturing cells saves assembly costs and opens up design advantages.
  • magnetic material-plastic connections are very resilient, offer a high degree of design freedom and can combine several functions in one component.
  • a production of assemblies is possible, which can otherwise be built only over several individual joining operations, which cost savings are possible.
  • a high design freedom is made possible with additional functionality in art ⁇ material extrusion coating.
  • better results can be achieved with magnetic material / plastic composite parts during load tests (thermal shock test and shock test) than with other modules.
  • a secure embedding of magnetic material components is possible.
  • greater process reliability over other joining methods such as gluing or clamping is possible.
  • the encapsulation can be carried out such that the connecting element has an outer profiled surface.
  • the profiled surface may comprise, for example, a tooth profile, fins, bulbous cross-profiles, triangular cross-profiles, counter to a mounting direction of the composite component within the rotor core packet pointed diverging cross profiles, counter to a mounting direction of the composite component within the rotor core packet conically diverging L jossprofilie ⁇ approximations and / or convex side walls.
  • Such pro ⁇ filated surfaces allow a special safe insertion of the connecting element in the rotor core.
  • An electric machine according to the invention comprises a Ro ⁇ torblechumb, in which at least one permanent magnet is fixed according to the inventive method described above.
  • 1a is a cross-sectional view of a portion of a rotor lamination stack with a composite component received therein prior to vibration excitation;
  • FIG. 1b shows the rotor laminated core according to FIG. 1a after a vibration excitation
  • FIG. 2 is a sectional view through a composite component, wherein the permanent magnet is excited by means of a sonotrode to vibrate
  • FIG. 3 is a sectional view through a composite component, wherein the connecting element is excited by means of a so ⁇ notrode to vibrate
  • FIG. 4 is a perspective view of a rotor laminated core with receptacles for composite components
  • FIG. 5 is a perspective view of connecting elements, which can be used in the receptacles of the rotor core of Fig. 4,
  • FIG. 6a respectively a partial cross sectional view of a portion 7a of a further rotor lamination packet and a composite ⁇ component from a vibration excitation
  • Fig. 6b the arrangement of Fig. 6a and 7a after a
  • FIG. 8 shows a side partial sectional view of a rotor lamination package with burrs shown for the positive connection with a composite component.
  • 1a and 1b show a composite component 1 for fastening a permanent magnet 2 within a rotor laminated core 3 of an electric machine, not shown.
  • the permanent magnet 2 is inserted into a connecting element 4 made of plastic of the composite component 1.
  • a sonotrode 5 is movably arranged in the direction of a plug-in direction 6a and counter to the plug-in direction 6b, wherein the composite component 1 is inserted into a receptacle 7 of the rotor laminated core 3.
  • the rotor laminated core 3 also comprises further of the receptacles 7, in which - as described above - further composite components 1 are introduced.
  • the connecting element 4 surrounds the cuboid Perma ⁇ nentmagneten 2 partially, with a part of the plastic of the connecting element 4 protrudes from the receptacle 7.
  • the So ⁇ notrode 5 generates ultrasonic waves in the range of 20 kHz and is moved in the direction of insertion 6b, so that the ultrasonic waves are transmitted as mechanical oscillations to the plastic of the connecting element 4, which thereby oscillates at its resonant frequency.
  • This vibration excitation of the plastic of the connecting element 4 is partially liquefied.
  • the horn 5 is still on the connecting element and applies a defined contact pressure on the connecting element 4 in the direction of insertion 6a, so that the liquefied plastic of the connection ⁇ element 4 next to the permanent magnet 2 distributed around (Fig. Lb) and undercuts in Sheet metal package flows around (see Fig. 6a and 6b).
  • Fig. 2 shows a further composite component 1 with a parallelepiped ⁇ shaped permanent magnet 2 and a permanent magnet 2 partly surrounding connecting element 4.
  • the connecting element 4 is inserted in a not shown by FIG. 2 receiving a rotor core packet.
  • the sonotrode 5 acts directly on the permanent magnet 2.
  • the permanent magnet 2 can be considered according to this embodiment as an extension of the sonotrode 5, ie the permanent magnet 2 is vibrated by the sonotrode 5 with virtually the same frequency and Amplitude excited. These vibrations are transmitted to the plastic of the connecting element 4. This will heat energy between the
  • the sonotrode 5 continues to exert a defined contact pressure on the permanent magnet 2 in the direction of insertion 6a. As a result of this contact pressure, the permanent magnet 2 sinks into the plasticized plastic of the connecting element 4. The plastic flows around the insert in the form of the permanent magnet 2 and solidifies after switching off the ultrasound.
  • the volume of the displaced plastic is preferably not greater than the free volume in the receptacles of the rotor lamination stack, so that excess and displaced plastic melt can be absorbed.
  • Fig. 3 shows a further composite component 1 with a parallelepiped ⁇ shaped permanent magnet 2 and a permanent magnet 2 partially surrounding connecting element 4, wherein two lateral legs 4a and 4b of the connecting element 4 extend beyond an upper end side of the permanent magnet 2 addition.
  • the connecting element 4 is inserted in a receptacle, not shown in FIG. 3, of a rotor lamination stack.
  • the sonotrode 5 acts directly on the Ver ⁇ binding member 4, ie, the horn 5 stimulates Verbin ⁇ -making element 4 with ultrasonic waves, whereby the connecting member 4 partially plasticized and by a pushing force which the horn 5 in Direction of the insertion ⁇ direction 6a on the connecting element 4 exerts, is transformed.
  • Such ultrasonic fusion molding of the enclosing part in the form of the connecting element 4 offers the possibility of positively joining thermoplastics with other materials such as the permanent magnets 2.
  • a plastic part 4 is thus locally plastified and shaped in the plastic state. The heat energy between the sonotrode surface and the surface of the plastic part 4 is effective.
  • Fig. 4 shows a laminated rotor core 3 with a total of ten circumferentially and equidistantly arranged receptacles 7 for fasteners 4 and inserted therein permanent magnet 2.
  • Fig. 5 shows ten in the receptacles of FIG. 2 matching fasteners 4, which can be produced simultaneously as an injection molded part, said in Fig. 5 additionally sprues 8 are shown to the respective injection molded parts 4.
  • In the connecting elements 4 can be introduced by non-FIGS. 4 and 5 shown permanent magnets.
  • the connecting elements 4 with their respective permanent magnets can be introduced into a respective receptacle 7 of the rotor laminated core 3.
  • the connecting elements 4 can in particular be set into vibrations by means of ultrasonic waves by means of flat sonotrodes, not shown, so that plastic of the connecting elements 4 is liquefied. encryption
  • liquid plastic can ensure that the permanent magnets and the rotor laminated core 3 are positively connected to one of the connecting elements 4.
  • Fig. 6a and 6b show a further composite component 1 for Be ⁇ fixing a permanent magnet 2 within a Ro ⁇ torblechpers 3 of an electrical machine, not shown.
  • the permanent magnet 2 is inserted into a connecting element 4 made of plastic of the composite component 1.
  • a sonotrode 5 is movably arranged in the direction of a plug-in direction 6a and counter to the plug-in direction 6b, wherein the composite component 1 is inserted into a receptacle 7 of the rotor laminated core 3.
  • the rotor laminated core 3 also comprises further of the receptacles 7, in which - as described above - further composite components 1 are introduced.
  • the connecting element 4 surrounds the rectangular Perma ⁇ nentmagneten 2 regions, with two lateral legs 4a and 4b of the connecting element 4 extend beyond an upper end side of the permanent magnet 2 addition (Fig. 6a).
  • the sonotrode 5 generates ultrasonic waves in the range of 20 kHz and is moved in the direction of the insertion direction 6b, so that the sonotrode 5 is applied to the legs 4a and 4b and the ultrasonic waves as mechanical oscillations on the
  • Plastic of the connecting element 4 are transmitted, which thereby oscillates at its resonant frequency. This vibration excitation of the plastic of the connecting element 4 is partially liquefied.
  • the sonotrode 5 also exerts a defined contact pressure on the connecting element 4 in FIG.
  • the permanent magnet have porous structures in which also liquefied plastic of the connecting element (4) can be pressed.
  • the permanent magnet 2 surrounded by the connecting element 4 is fastened in a form-fitting manner within the receptacle 7 of the rotor laminated core 3 by means of the connecting element 4.
  • a first Be ⁇ grenzungsteil 10 allows a guide of the horn 5 and a second limiting part 11 defines a cavity into which can be liquefied plastic of the connecting element 4 to flow.
  • the possible flow path of the liquefied plastic is further limited by the receptacle 7 of the rotor core 3 and the outer contour of the sonotrode 5. The illustrated by Fig.
  • Fig. 7a and 7b show a further composite component 1 for loading fixing a permanent magnet 2 within a Ro ⁇ torblechpers 3 of an electrical machine, not shown.
  • the permanent magnet 2 is inserted into a connecting element 4 made of plastic of the composite component 1, wherein the insertion is carried out by encapsulation of the permanent magnet 2 with plastic of the connecting element 4.
  • a sonotrode 5 is movably arranged in the direction of a plug-in direction 6a and counter to the plug-in direction 6b, wherein the composite component 1 is introduced into a receptacle 7 of the rotor laminated core 3.
  • the rotor core 3 also includes more of the receptacles 7, in which - As described above - further composite components 1 are introduced.
  • the connecting element 4 surrounds the cuboid perma- mag- nets 2 by molding completely (the elements 2 and 4 are positively connected in this way with each other) and comprises on its outside a profiled surface in the form of a tooth profile 12 for fixing the connection ⁇ elements 4 within the
  • the sonotrode 5 generates ultrasonic waves in the range of 20 kHz and is moved in the direction of insertion 6b, so that the sonotrode 5 rests against one end of the inserted into the receptacle 7 connecting element 4 and the ultrasonic waves as mechanical oscillations on the Plastic of the connecting element 4 are transmitted, which thereby oscillates at its resonant frequency.
  • Fig. 8 shows a part of a sheet 13 of a rotor core 3 for the embodiments according to FIGS. 1 to 7. In the sheet 13, an opening 14 was punched, which connects opposite end faces Sl and S2 of the sheet 12 with each other.
  • the punching results in a cut surface 15 with a smooth cut portion 16 and a pull-in height 17, wherein the respective opening 14 is partially rugged and, in the example shown, has a ridge 18 with a tearing depth 19.
  • the area behind the ridge 18 forms on the side facing away from the opening 14 in the assembled state of the rotor laminated core 3 an undercut 9.
  • Plasticized plastic of the connecting element 4 can flow around the ridge 18 and, in the solidified state, catch the connecting element 4 in the ridge 18. In this way, a positive connection between the ridge 18 of the receptacle 7 of the rotor laminated core 3 and the plastic of the connecting element 4 of the composite component 1 can be generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung eines Permanentmagnets (2) in einem Rotorblechpaket (3) für eine elektrische Maschine und umfasst ein Bereitstellen wenigstens eines Permanentmagnets (2) sowie eines gestapelten Rotorblechpakets (3) mit wenigstens einer Aufnahme (7) für den Permanentmagnet (2). Der Permanentmagnet (2) wird in ein Verbindungselement (4) aus Kunststoff eingeführt. Das Verbindungselement (4) und der Permanentmagnet werden zusammen in die Aufnahme (7) des Rotorblechpakets (3) eingeführt. Das Verbindungselement (4) wird in Schwingungen mittels Ultraschallwellen versetzt, so dass Kunststoff des Verbindungselements (4) verflüssigt wird. Der Permanentmagnet (2) und das Rotorblechpaket (3) werden mit dem Verbindungselement (4) mittels verflüssigtem Kunststoff des Verbindungselements (4) formschlüssig miteinander verbunden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Fixierung eines Permanentmagnets in einem Ro- torblechpaket für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft Technologien zur Befestigung eines Permanentmagnets bzw. mehrerer Permanentmagnete innerhalb eines Rotorblechpakets für eine elektrische Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fixierung eines
Permanentmagnets in einem Rotorblechpaket und eine elektrische Maschine mit einem Rotorblechpaket, in welches ein Perma¬ nentmagnet nach dem Verfahren fixiert ist. Eine elektrische Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten enthält im Allgemeinen einen Rotor, welcher eine Vielzahl von Permanentmagneten mit abwechselnder Polarität um einen Außenumfang eines Rotorblechpakets des Rotors herum aufweist. Der Rotor ist innerhalb eines Stators drehbar, welcher im Allgemeinen eine Vielzahl von Wicklungen und Magnetpolen mit abwechselnder Polarität enthält.
Herkömmlicherweise ist die Konfiguration von Permanentmagneten in elektrischen Maschinen mit innen liegenden Permanentmagneten radial symmetrisch, d.h. sie zeigt eine Symmetrie bezüglich eines Ursprungs. Derartige elektrische Maschinen können jedoch eine nicht gewünschte Drehmomentwelligkeit erzeugen, welche zu ungewollten Vibrationen und Geräuschen führen kann. Herkömmlicherweise werden die Permanentmagnete im Rotorblechpaket daher abgeschrägt, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Permanentmagnete mit einem axialen Winkel relativ zueinander platziert werden oder die Permanentmagnete schrittweise gedreht werden. Eine derartige Schrägung beziehungsweise Schränkung ist eine bewährte Technik, welche eingesetzt wird zur Reduzierung von Oberwellen, des Rastmomentes, von Torqeripple und von Geräuschen.
Dabei kann beispielsweise eine kontinuierliche oder eine schrittweise Schränkung vorgesehen werden. Um eine schrittweise Schränkung zu erreichen, werden beim Rotoraufbau zunächst Blechpaketstapel mit Permanentmagneten bestückt. Anschließend werden die jeweiligen Blechpaketstapel mit einem axialen Winkel relativ zueinander zu dem vollständigen Rotorblechpaket pa- ketiert bzw. zusammengebaut.
In der Stückzahl-intensiven Produktion von elektrischen Maschinen, insbesondere von Elektromotoren für Hybridfahrzeuge, wird als vergleichsweise großes Kosteneinsparungspotenzial die Montage, insbesondere die Fixierung der Permanentmagnete im Rotor identifiziert. Es ist bekannt, Permanentmagnete in ein Rotorblechpaket eines Rotors einer permanenterregten
elektrischen Maschine einzubringen. Die Permanentmagnete werden dabei in für sie vorgesehene Nuten eingeschoben und entweder durch zusätzliche Elemente verspannt oder in den Nutöffnungen verklebt. Nach dem Stand der Technik ist das Kleben die vorherrschende Technologie, welche jedoch bei der Montage und beim Recycling wie zum Beispiel beim Trennen der Permanentmagnete von den Motorbauteilen nicht ohne aufwändige Techniken auskommt. Die Verwendung von Klebstoff verursacht ferner dadurch einen erheblichen Aufwand, dass je nach eingesetztem Klebstoff ent¬ sprechenden Sicherheitsbestimmungen wegen eventuell ausdampfender Lösungsmittel oder dergleichen entsprochen werden muss. Unabhängig von dem Bautyp der elektrischen Maschine ist weiterhin insbesondere im Falle vergrabener Permanentmagnete aufgrund der großen auftretenden Kräfte und Momente, z. B. der Zentrifu¬ galkraft und der Anfahrmomente, die Befestigung der Perma¬ nentmagnete von enormer Bedeutung. Verbreitet ist ein Befestigen der Permanentmagnete in den entsprechenden Nuten bzw. Aufnahmen (Taschen) durch Klebstoffe, wie Epoxidharze oder Silikonma¬ terialien (Silikonelastomere und Silikonharze) . Bei derartigen Klebstoffen besteht jedoch die Gefahr, dass der Klebstoff die entsprechende Fügefläche der Magnetaufnahme des Rotors be¬ ziehungsweise Stators nicht vollständig und gleichmäßig benetzt und somit keine gute Haftung zwischen Permanentmagnet und Blechpaket erhalten wird. Eine ungleichmäßige Haftung kann zu einer ungleichmäßigen mechanischen Belastung des Blechpakets führen. Dies kann eine Deformationen des Blechpakets und eine Ablösung der Permanentmagnete nach sich ziehen.
Davon ausgehend wurden neue Verfahren entwickelt, wie z.B. das Klemmen und das Verstemmen der Permanentmagnete in der Nut sowie die Zuhilfenahme von Klemmelementen, z.B. aus Kunststoff. Diese Verfahren vereinfachen zwar das Recyceln, sind aber oft wegen fehlender Flexibilität schwierig in der Montage umzusetzen, weil relativ große Toleranzen überbrückt werden müssen. Andere bekannte Verfahren bieten, insbesondere aufgrund schwacher Presspassung, oft nicht genug Sicherheit bei hohen Drehzahlen und Vibrationsbelastung, wie sie beispielsweise für Riemen- und Kurbelwellenstartergeneratoren vorgegeben sind.
Davon ausgehend ist es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Technologie zur Befestigung eines Permanentmagnets bzw. mehrerer Permanentmagnete innerhalb eines Rotorblechpakets einer elektrischen Maschine bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein einfacher Aufbau eines Rotors ermöglicht werden, welcher kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll eine genaue und dauerhafte Fixierung bzw. Befestigung der Permanentmagnete innerhalb des Rotorblechpakets auch bei hoher dynamischer Belastung gewährleistet werden. Ferner soll ermöglicht werden, ein Recycling seltener Erden aus elektrischen Maschinen zu vereinfachen .
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fixierung eines Perma- nentmagnets in einem Rotorblechpaket für eine elektrische Maschine umfasst ein Bereitstellen wenigstens eines Perma¬ nentmagnets und eines gestapelten Rotorblechpakets mit we¬ nigstens einer Aufnahme für den Permanentmagnet. Der Perma¬ nentmagnet wird in ein Verbindungselement aus Kunststoff eingeführt. Weiterhin werden das Verbindungselement und der
Permanentmagnet in die Aufnahme des Rotorblechpakets eingeführt. Das Verbindungselement wird in Schwingungen mittels Ultra¬ schallwellen versetzt, so dass Kunststoff des Verbindungs¬ elements verflüssigt wird. Ferner erfolgt ein formschlüssiges Verbinden des Permanentmagnets und des Rotorblechpakets mit dem Verbindungselement mittels verflüssigtem Kunststoff des Ver¬ bindungselements .
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Ultraschallwellen als mechanische Wechselschwingungen von etwa 20 kHz dazu verwendet, den Permanentmagnet als einzubettendes Teil oder das Verbindungselement als Kunststoffteil , welches das einzubet¬ tende Teil umgibt, an ihm anliegt, an ihm angrenzt oder ihn berührt bevorzugt über eine Sonotrode in Schwingungen zu versetzen, vorzugsweise in Resonanz. Durch die entstehende
Grenzflächenreibung zwischen dem Permanentmagnet, dem Kunststoff des Verbindungselements und dem Rotorblechpaket (typi¬ scherweise aus Metall) , vorzugsweise bei definiertem An¬ pressdruck, wird der Kunststoff an der Berührungsfläche erwärmt n
5 und dadurch plastisch verformt, so dass das einzubettende Teil z.B. unter Fortsetzung des Drucks in das Verbindungselement aus Kunststoff und in Bereiche des Rotorblechpakets, z.B. Hin- terschneidungen im Rotorblechpaket , einsinken kann, wodurch nach Erstarren der aufgeschmolzenen Kunststoffmasse der Permanentmagnet im Rotorblechpaket verankert ist.
Durch ein Mitschwingen des Verbindungselements aus Kunststoff oder des Permanentmagneten an einer Berührungsfläche Perma- nentmagnet/Verbindungselement (Kunststoff) /Rotorblechpaket
(Metall) wird dabei Reibungswärme erzeugt, die den Kunststoff in einer relativ dünnen Schicht zum Schmelzen bringt, so dass dieser z.B. in Hinterschneidungen des Rotorblechpakets eindringen kann. Die Reibungswärme liegt dabei oberhalb des Erweichungs- bzw. Schmelzbereichs des Kunststoffs des Verbindungselements, so dass sich praktisch keine zusätzlichen Spannungen innerhalb des Kunststoffs aufbauen. Das Aufschmelzen bzw. Plastifizieren des Kunststoffs kann insbesondere an Enden und am Umfang des Verbindungselements erfolgen.
Mit anderen Worten wird eine zum Plastifizieren benötigte Wärme des Kunststoffs des Verbindungselements durch eine Umwandlung von Ultraschallschwingungen in mechanische Schwingungen erzeugt und bevorzugt mit einem bestimmten Anpressdruck, z.B. über eine Sonotrode, einem umzuformenden Werkstück (Verbindungselement) zugeleitet. Durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht Wärme, die den Dämpfungskoeffizienten des Kunststoffs anwachsen lässt. Örtlich beginnt der Kunststoff zu erweichen. Diese Reaktion beschleunigt sich von selbst, weil aufgrund der Zunahme des Dämpfungsfaktors ein steigender Anteil der Schwingungs¬ energie in Wärme umgesetzt wird. Die auf das Werkstück auf¬ treffenden mechanischen Schwingungen werden absorbiert und an der Grenzfläche reflektiert. Aufgrund der entstehenden
Grenzflächen- und Molekularreibung entsteht Wärme, die den Kunststoff aufschmelzen lässt. Nach dem Umformprozess ist eine kurze Abkühlphase vorgesehen.
Harte und amorphe Kunststoffe wie ABS, PS, PC, SAN und PMMA lassen sich in dem vorstehend beschriebenen Ultraschall-Verfahren gut verarbeiten, wobei Schwingungen gut über größere Strecken weitergeleitet werden können. Bei teilkristallinen Kunststoffen wie PP, PA, POM und PE hingegen werden die eingeleiteten Schwingungen stark gedämpft. Deshalb lassen sich diese Mate- rialien normalerweise nur im unmittelbaren Umfeld bearbeiten. Füllstoffe (Glasfaser, Talkum, Weichmacher, flammhemmende Zusätze, Holzmehl, Kreide, Gleitmittel etc.) können die Be¬ arbeitungseigenschaften des Kunststoffs ebenfalls beeinflussen. Probestücke bringen dabei oftmals Erkenntnisse für ein optimales Ergebnis.
Die Amplitude der Schwingungsanregung, d.h. die halbe
Schwingungsweite, liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 25 und 40 ym. Dieser Bereich hat sich als vorteilhaft herausge- stellt, da in diesem Bereich Spannungen und Rissbildung vermieden werden können, welche mit zunehmender Amplitude vermehrt auftreten können.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit seinem vorstehend be- schriebenen Ultraschall- Schmelzumformen bietet eine Alternative, wenn Klebstoff-Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Der Kunststoff des Verbindungselements kann mit Ultraschall-Energie verflüssigt werden und Hohlräume des Trägermaterials (Ro¬ torblechpaket) beziehungsweise in poröse Strukturen des Per- manentmagneten einfließen. Auf diese Weise kann der Kunststoff des Verbindungselements den Permanentmagnet in die Taschen des Rotorblechpakets einbetten. Ein solches „Einbettverfahren für Magnete mit Ultraschall" ist serientauglich. Im Gegensatz zum Einkleben von Permanentmagneten in die Taschen des Rotor- ^
blattpakets handelt es sich um ein automatisierbares und gut Recycling-fähiges Verfahren. Unmittelbar nach dem Aushärten des Kunststoffs ist das fertige Bauteil voll belastbar und kann sofort weiterverarbeitet, verpackt und an den Kunden ausge- liefert werden.
Zykluszeiten können im Vergleich zu Klebeverfahren um das drei- bis sechsfache reduziert werden. Eine Abbindezeit in der traditionellen Klebemontage liegt um ein Vielfaches höher, um eine ausreichende Aushärtung zu gewährleisten. Weiterhin ist die Verbindung fester und dauerhafter als die traditionelle Klebeverbindung. Ferner kann auf Kleber verzichtet werden. Dies ermöglicht eine vereinfachte Maschinenausstattung und macht eine Reinigung von Kleberauftragsdüsen beziehungsweise von Kleberrückständen entbehrlich. Außerdem basiert das Einbetten mit Ultraschall auf einem hochtechnisierten Prozess, während das traditionelle Klebeverfahren variabel hinsichtlich unterschiedlicher Faktoren ist. Der innovative Ultraschallprozess ist somit zuverlässiger und reproduzierbarer. Weiterhin sind die Resultate besser kontrollierbar, messbar und rückverfolgbar in der Qualitätskontrolle.
Weitere Vorteile des vorstehend beschriebenen Ultraschall¬ verfahrens sind seine sehr wirtschaftliche Durchführung bei höheren Stückzahlen (Serienfertigung) , sehr kurze Einbettzyklen, ein niedriger Energieaufwand, die Eignung für dreidimensionale Fügeflächen, das Bereitstellen einer Alternative für andere Paketierverfahren, z.B. Stanzpaketieren oder
Schweißen, bei Hinterschneidungen im Rotorblechpaket sowie die gute Recyclingfähigkeit durch Trennen der Komponenten bei hohen Temperaturen. Weil beim Umformen mittels Ultraschall eine Formänderung in der Schmelzphase erfolgt, entstehen weiterhin in den umgeformten Partien bei korrekter Maschineneinstellung vernachlässigbare mechanische Spannungen. Probleme im Zusam- 0
o menhang mit einer Spannungsrelaxation können vermieden werden. Es können spielfreie, feste Verbindungen entstehen, welche auch im Langzeitverhalten sehr hohen Anforderungen gerecht werden. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Versetzen des Verbindungselements in Schwingungen mittels Ultraschall¬ wellen durch eine Sonotrode erfolgt. Die Sonotrode stellt somit das eigentliche Werkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Weiterhin kann das Versetzen des Verbindungselements in
Schwingungen mittelbar über den Permanentmagnet erfolgen. Mit anderen Worten kann die Sonotrode den Permanentmagnet zu Schwingungen anregen, welche sich auf den Kunststoff des Verbindungselements übertragen. Alternativ kann die Sonotrode jedoch auch den Kunststoff des Verbindungselements unmittelbar zu Schwingungen anregen.
Bei langen Permanentmagneten kann es schwierig sein, diese mit einer Ultraschall-Anregung einzubetten. In diesem kann vor- teilhaft vorgesehen sein, die Sonotrode auf den Kunststoff des Verbindungselements aufzusetzen und dieses zwischen dem Per¬ manentmagnet und dem Rotorblechpaket einzubetten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das formschlüssige Verbinden durch Drücken von verflüssigtem Kunststoff des
Verbindungselements in Hinterschneidungen des Rotorblechpakets. Die Hinterschneidungen können beispielsweise durch Grate, Stufen bzw. Absätze innerhalb der Aufnahme (n) des Rotorblechpakets gebildet sein. Bevorzugt erfolgt das Drücken des verflüssigten Kunststoffs ebenfalls mittels der Sonotrode. Nach dem Drücken erfolgt ein Abkühlen verbunden mit einer Verfestigung des Kunststoffs. Der dazu erforderliche Druck kann insbesondere in Abhängigkeit von den Abmessungen sowie vom Schmelzpunkt bzw. Schmelzbereich des bevorzugt thermoplastischen Kunststoffs vorher eingestellt werden.
Der verflüssigte Kunststoff des Verbindungselements kann al¬ ternativ oder zusätzlich auch in Lücken oder Zwischenräume des Rotorblechpakets gedrückt werden. Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das formschlüssige Verbinden durch Drücken von verflüssigtem Kunststoff des Verbindungselements in poröse Strukturen des Permanentmagnets erfolgt. Vorzugsweise wird das Verbindungselement weiterhin in Resonanzschwingungen versetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Verbindungselemente mit jeweils einem darin eingeführten Perma¬ nentmagnet in jeweils eine Aufnahme des Rotorblechpakets eingeführt, die Verbindungselemente in Schwingungen mittels Ultraschallwellen durch plane Sonotroden versetzt, so dass Kunststoff der Verbindungselemente verflüssigt wird, und die Permanentmagnete sowie das Rotorblechpakets mit jeweils einem der Verbindungselemente mittels verflüssigtem Kunststoff des jeweiligen Verbindungselements formschlüssig verbunden werden. Diese Ausführungsform erlaubt ein Einbetten mehrerer Permanentmagnete bzw. Verbindungselemente mit einer oder mehreren Sonotroden in einem Arbeitstakt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Einführen des Permanentmagnets in das Verbindungselement aus Kunststoff durch Umspritzen des Permanentmagnets mit Kunststoff des Verbindungselements erfolgt. Mit Kunststoff umspritzte Per¬ manentmagnete (Hybridbauteile) können zu neuen Lösungsansätzen und Produktideen führen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig umgesetzt werden können. Das Umspritzen einzelner Permanentmagnete bietet eine besonders hohe Pro¬ zesssicherheit gegenüber anderen Fügeverfahren wie beispielsweise Klebverfahren oder Klemmverfahren und kann in halb- oder vollautomatisierten Fertigungszellen erfolgen. Die Herstellung des Verbundbauteils durch Umspritzen von Metallteilen mit thermoplastischen Kunststoffen in vollautomatischen Fertigungszellen spart Montagekosten und erschließt Konstrukti- onsvorteile.
Darüber hinaus sind Magnetwerkstoff-Kunststoff-Verbindungen sehr belastbar, bieten eine hohe Designfreiheit und können mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen. So wird eine Herstellung von Baugruppen ermöglicht, welche sonst nur über mehrere einzelne Fügevorgänge aufgebaut werden können, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind. Weiterhin wird eine hohe Designfreiheit mit zusätzlicher Funktionalität in der Kunst¬ stoff-Umspritzung ermöglicht. Ferner können mit Magnetwerk- stoff-Kunststoff-Verbundteilen bei Belastungstests (Temperaturwechsel- und Schocktest) bessere Ergebnisse erzielt werden als mit anderen Verfahren gefügten Baugruppen. Außerdem ist ein sicheres Einbetten von Magnetwerkstoff-Bauteilen möglich. Darüber hinaus wird eine größere Prozesssicherheit gegenüber anderen Fügeverfahren wie beispielsweise Kleben oder Klemmen ermöglicht .
Weiterhin kann das Umspritzen derart erfolgen, dass das Verbindungselement eine äußere profilierte Oberfläche aufweist. Die profilierte Oberfläche kann z.B. ein Zahnprofil, Lamellen, bauchige Querprofilierungen, dreieckige Querprofilierungen, entgegen einer Montagerichtung des Verbundbauteils innerhalb des Rotorblechpakets spitz auseinanderlaufende Querprofilierungen, entgegen einer Montagerichtung des Verbundbauteils innerhalb des Rotorblechpakets konisch auseinanderlaufende Längsprofilie¬ rungen und/oder konvexe Seitenwände umfassen. Derartig pro¬ filierte Oberflächen ermöglichen ein besonderes sicheres Einführen des Verbindungselements in das Rotorblechpaket. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein Ro¬ torblechpaket, in welches wenigstens ein Permanentmagnet nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren fixiert ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. la eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines Ro- torblechpakets mit einem darin aufgenommenen Verbundbauteil vor einer Schwingungsanregung,
Fig. lb das Rotorblechpaket nach Fig. la nach einer Schwingungsanregung,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch ein Verbundbauteil, wobei dessen Permanentmagnet mittels einer Sonotrode zu Schwingungen angeregt wird, Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch ein Verbundbauteil, wobei dessen Verbindungselement mittels einer So¬ notrode zu Schwingungen angeregt wird,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblechpakets mit Aufnahmen für Verbundbauteile,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht von Verbindungselementen, welche in die Aufnahmen des Rotorblechpakets nach Fig. 4 einsetzbar sind,
Fig. 6a, jeweils eine Teilquerschnittsdarstellung eines Teils 7a eines weiteren Rotorblechpakets und eines Verbund¬ bauteils vor einer Schwingungsanregung, Fig. 6b, die Anordnung nach Fig. 6a bzw. 7a nach einer
7b Schwingungsanregung und
Fig. 8 eine seitliche Teilschnittdarstellung eines Ro- torblechpakets mit dargestellten Graten zur formschlüssigen Verbindung mit einem Verbundbauteil.
Fig. la und lb zeigen ein Verbundbauteil 1 zur Befestigung eines Permanentmagnets 2 innerhalb eines Rotorblechpakets 3 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine.
Der Permanentmagnet 2 ist in ein Verbindungselement 4 aus Kunststoff des Verbundbauteils 1 eingeführt. Eine Sonotrode 5 ist in Richtung einer Einsteckrichtung 6a und entgegen der Einsteckrichtung 6b beweglich angeordnet, wobei das Verbundbauteil 1 in eine Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 eingeführt ist. Das Rotorblechpaket 3 umfasst noch weitere der Aufnahmen 7, in welche - wie vorstehend beschrieben - weitere Verbundbauteile 1 eingeführt sind. Das Verbindungselement 4 umgibt den quaderförmigen Perma¬ nentmagneten 2 bereichsweise, wobei ein Teil des Kunststoffs des Verbindungselements 4 aus der Aufnahme 7 herausragt. Die So¬ notrode 5 erzeugt Ultraschallwellen im Bereich von 20 kHz und wird in Richtung der Einsteckrichtung 6b verfahren, so dass die Ultraschallwellen als mechanische Wechselschwingungen auf den Kunststoff des Verbindungselements 4 übertragen werden, welches dadurch mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Durch diese Schwingungsanregung wird der Kunststoff des Verbindungselements 4 bereichsweise verflüssigt. Die Sonotrode 5 liegt weiterhin an dem Verbindungselement an und übt einen definierten Anpressdruck auf das Verbindungselement 4 in Richtung der Einsteckrichtung 6a aus, so dass sich verflüssigter Kunststoff des Verbindungs¬ elements 4 weiter um den Permanentmagnet 2 herum verteilt (Fig. lb) und Hinterschneidungen im Blechpaket umfließt (vgl. Fig. 6a und 6b) . Nach einem sich unmittelbar anschließenden Erstar- rungsprozess ist der von dem Verbindungselement 4 umgebene Permanentmagnet 2 mittels des Verbindungselements 4 form¬ schlüssig innerhalb der Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 befestigt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Verbundbauteil 1 mit einem quader¬ förmigen Permanentmagneten 2 und einem den Permanentmagnet 2 teilweise umgebenden Verbindungselement 4. Das Verbindungs- element 4 ist in einer nicht durch Fig. 2 gezeigten Aufnahme eines Rotorblechpakets eingeführt. In dem durch Fig. 2 gezeigten Beispiel wirkt die Sonotrode 5 direkt auf den Permanentmagneten 2. Der Permanentmagnet 2 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Verlängerung der Sonotrode 5 angesehen werden, d.h. der Permanentmagnet 2 wird durch die Sonotrode 5 zum Schwingen mit praktisch gleicher Frequenz und Amplitude angeregt. Diese Schwingungen übertragen sich auf den Kunststoff des Verbindungselements 4. Dadurch wird Wärmeenergie zwischen der
Oberfläche des Permanentmagnets 2 und der Oberfläche des Verbindungselements 4 aus Kunststoff wirksam.
Die Sonotrode 5 übt weiterhin einen definierten Anpressdruck auf den Permanentmagneten 2 in Richtung der Einsteckrichtung 6a aus. Durch diesen Anpressdruck sinkt der Permanentmagnet 2 in den plastifizierten Kunststoff des Verbindungselements 4 ein. Der Kunststoff umfließt das Einlegeteil in Form des Permanentmagnets 2 und erstarrt nach dem Abschalten des Ultraschalls. Das Volumen des verdrängten Kunststoffs ist bevorzugt nicht größer als das freie Volumen in den Aufnahmen des Rotorblechpakets, damit überschüssige und verdrängte Kunststoffschmelze aufgenommen werden kann.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Verbundbauteil 1 mit einem quader¬ förmigen Permanentmagneten 2 und einem den Permanentmagnet 2 teilweise umgebenden Verbindungselement 4, wobei sich zwei seitliche Schenkel 4a und 4b des Verbindungselements 4 über eine obere Stirnseite des Permanentmagneten 2 hinaus erstrecken. Das Verbindungselement 4 ist in einer nicht durch Fig. 3 gezeigten Aufnahme eines Rotorblechpakets eingeführt. In dem durch Fig. 3 gezeigten Beispiel wirkt die Sonotrode 5 direkt auf das Ver¬ bindungselement 4, d.h. die Sonotrode 5 regt das Verbin¬ dungselement 4 mit Ultraschallwellen an, wodurch das Verbindungselement 4 bereichsweise plastifiziert und durch eine Druckkraft, welche die Sonotrode 5 in Richtung der Einsteck¬ richtung 6a auf das Verbindungselement 4 ausübt, umgeformt wird. Ein derartiges Ultraschall-Schmelzumformen des umschließenden Teils in Form des Verbindungselements 4 bietet die Möglichkeit, thermoplastische Kunststoffe mit anderen Materialienwie den Permanentmagneten 2 formschlüssig zu verbinden. Bei dem durch Figur 3 gezeigten Schmelzumformen wird ein Kunststoffteil 4 somit örtlich plastifiziert und im plastischen Zustand umgeformt. Dabei wird die Wärmeenergie zwischen der Sonotroden-Oberflache und der Oberfläche des Kunststoffteils 4 wirksam.
Fig. 4 zeigt ein Rotorblechpaket 3 mit insgesamt zehn umfänglich und äquidistant angeordneten Aufnahmen 7 für Verbindungselemente 4 und darin eingeführten Permanentmagneten 2. Fig. 5 zeigt zehn in die Aufnahmen nach Fig. 2 passende Verbindungselemente 4, welche gleichzeitig als Spritzgussteil hergestellt werden können, wobei in Fig. 5 zusätzlich Angüsse 8 zu den jeweiligen Spritzgussteilen 4 dargestellt sind. In die Verbindungselemente 4 können durch nicht Fig. 4 und 5 gezeigte Permanentmagnete eingeführt werden. Die Verbindungselemente 4 mit ihren je- weiligen Permanentmagneten können in jeweils eine Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 eingeführt werden. Die Verbindungselemente 4 können insbesondere in Schwingungen mittels Ultraschallwellen durch nicht gezeigte plane Sonotroden versetzt werden, so dass Kunststoff der Verbindungselemente 4 verflüssigt wird. Ver- flüssigter Kunststoff kann z.B. wie im Zusammenhang mit Fig. la und lb beschrieben für ein formschlüssiges Verbinden der Permanentmagnete und des Rotorblechpakets 3 mit jeweils einem der Verbindungselemente 4 sorgen.
Fig. 6a und 6b zeigen ein weiteres Verbundbauteil 1 zur Be¬ festigung eines Permanentmagnets 2 innerhalb eines Ro¬ torblechpakets 3 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Der Permanentmagnet 2 ist in ein Verbindungselement 4 aus Kunststoff des Verbundbauteils 1 eingeführt. Eine Sonotrode 5 ist in Richtung einer Einsteckrichtung 6a und entgegen der Einsteckrichtung 6b beweglich angeordnet, wobei das Verbundbauteil 1 in eine Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 eingeführt ist. Das Rotorblechpaket 3 umfasst noch weitere der Aufnahmen 7, in welche - wie vorstehend beschrieben - weitere Verbundbauteile 1 eingeführt sind.
Das Verbindungselement 4 umgibt den quaderförmigen Perma¬ nentmagneten 2 bereichsweise, wobei sich zwei seitliche Schenkel 4a und 4b des Verbindungselements 4 über eine obere Stirnseite des Permanentmagneten 2 hinaus erstrecken (Fig. 6a) . Die Sonotrode 5 erzeugt Ultraschallwellen im Bereich von 20 kHz und wird in Richtung der Einsteckrichtung 6b verfahren, so dass die Sonotrode 5 an den Schenkeln 4a und 4b anliegt und die Ult- raschallwellen als mechanische Wechselschwingungen auf den
Kunststoff des Verbindungselements 4 übertragen werden, welches dadurch mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Durch diese Schwingungsanregung wird der Kunststoff des Verbindungselements 4 bereichsweise verflüssigt. Die Sonotrode 5 übt ferner einen definierten Anpressdruck auf das Verbindungselement 4 in
Richtung der Einsteckrichtung 6a aus, so dass sich verflüssigter Kunststoff des Verbindungselements 4 weiter um den Perma¬ nentmagnet 2 herum verteilt (Fig. 6b) und Hinterschneidungen 9 im Blechpaket 3 umfließt. Weiterhin kann der Permanentmagnet poröse Strukturen aufweisen, in welche ebenfalls verflüssigter Kunststoff des Verbindungselements (4) gedrückt werden kann.
Nach einem sich unmittelbar anschließenden Erstarrungsprozess ist der von dem Verbindungselement 4 umgebene Permanentmagnet 2 mittels des Verbindungselements 4 formschlüssig innerhalb der Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 befestigt. Ein erstes Be¬ grenzungsteil 10 ermöglicht eine Führung der Sonotrode 5 und ein zweites Begrenzungsteil 11 begrenzt eine Kavität, in welche verflüssigter Kunststoff des Verbindungselements 4 fließen kann. Der mögliche Fließweg des verflüssigten Kunststoffs wird weiterhin durch die Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 und die Außenkontur der Sonotrode 5 begrenzt. Das durch Fig. 6a und 6b veranschaulichte Verfahren zur Her¬ stellung eines Rotorblechpakets 3 mit darin befestigten Permanentmagneten 2 stellt eine sehr rationelle Methode dar, die Elemente 2, 3 und 4 formschlüssig miteinander zu verbinden. Wandungen bzw. Schenkel 4a und 4b, Rippen oder andere Elemente des Verbindungsteils 4 können mittels der Sonotrode 5 plas- tifiziert und in Aussparungen, Hinterschneidungen 9, Löcher oder Ähnliches gedrückt werden.
Fig. 7a und 7b zeigen ein weiteres Verbundbauteil 1 zur Be- festigung eines Permanentmagnets 2 innerhalb eines Ro¬ torblechpakets 3 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Der Permanentmagnet 2 ist in ein Verbindungselement 4 aus Kunststoff des Verbundbauteils 1 eingeführt, wobei das Einführen durch Umspritzen des Permanentmagnets 2 mit Kunststoff des Verbindungselements 4 erfolgt ist. Eine Sonotrode 5 ist in Richtung einer Einsteckrichtung 6a und entgegen der Einsteckrichtung 6b beweglich angeordnet, wobei das Verbundbauteil 1 in eine Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 eingeführt wird. Das Rotorblechpaket 3 umfasst noch weitere der Aufnahmen 7, in welche - wie vorstehend beschrieben - weitere Verbundbauteile 1 eingeführt werden.
Das Verbindungselement 4 umgibt den quaderförmigen Perma- nentmagneten 2 durch das Umspritzen vollständig (die Elemente 2 und 4 sind auf diese Weise formschlüssig miteinander verbunden) und umfasst an seiner Außenseite eine profilierte Oberfläche in Form eines Zahnprofils 12 zur Befestigung des Verbindungs¬ elements 4 innerhalb der Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3. Die Sonotrode 5 erzeugt Ultraschallwellen im Bereich von 20 kHz und wird in Richtung der Einsteckrichtung 6b verfahren, so dass die Sonotrode 5 an einer Stirnseite des in die Aufnahme 7 eingeführten Verbindungselements 4 anliegt und die Ultraschallwellen als mechanische Wechselschwingungen auf den Kunststoff des Ver- bindungselements 4 übertragen werden, welches dadurch mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Durch diese Schwingungsanregung wird der Kunststoff des Verbindungselements 4 bereichsweise ver¬ flüssigt und umfließt Hinterschneidungen im Blechpaket 3 (vgl. Fig. 6b) . Nach einem sich unmittelbar anschließenden Erstar- rungsprozess ist der von dem Verbindungselement 4 vollständig umgebene Permanentmagnet 2 mittels des Verbindungselements 4 formschlüssig innerhalb der Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 befestigt . Fig. 8 zeigt einen Teil eines Blechs 13 eines Rotorblechpakets 3 für die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 7. In das Blech 13 wurde ein Durchbruch 14 gestanzt, welcher gegenüberliegende Stirnseiten Sl und S2 des Blechs 12 miteinander verbindet. Mehrere Bleche 12 mit derartigen Durchbrüchen 14 werden in einer Stapelrichtung L übereinandergestapelt , so dass das Ro¬ torblechpaket 3 entsteht. Dabei werden die Durchbrüche 14 der jeweiligen Bleche 13 derart zueinander angeordnet, dass in¬ nerhalb des Rotorblechpakets 3 die Aufnahme 7 für das Ver- bindungselement 4 und damit auch für den Permanentmagnet 3 gebildet wird.
Durch das Stanzen entsteht eine Schnittfläche 15 mit einem Glattschnittanteil 16 und einer Einzugshöhe 17, wobei der jeweilige Durchbruch 14 teilweise zerklüftet ist und in dem gezeigten Beispiel einen Grat 18 mit einer Einrisstiefe 19 aufweist. Der Bereich hinter dem Grat 18 bildet auf der dem Durchbruch 14 abgewandten Seite im zusammengesetzten Zustand des Rotorblechpakets 3 eine Hinterschneidung 9 aus. Plastifizierter Kunststoff des Verbindungselements 4 kann den Grat 18 umfließen und in erstarrtem Zustand das Verbindungselement 4 in dem Grat 18 verhaken. Auf diese Weise kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grat 18 der Aufnahme 7 des Rotorblechpakets 3 und dem Kunststoff des Verbindungselements 4 des Verbundbauteils 1 erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fixierung eines Permanentmagnets (2) in einem Rotorblechpaket (3) für eine elektrische Maschine, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen wenigstens eines Permanentmagnets (2),
- Bereitstellen eines gestapelten Rotorblechpakets (3) mit wenigstens einer Aufnahme (7) für den Permanentmagnet (2),
- Einführen des Permanentmagnets (2) in ein Verbindungselement (4) aus Kunststoff,
- Einführen des Verbindungselements (4) und des Permanentmagnets in die Aufnahme (7) des Rotorblechpakets (3),
- Versetzen des Verbindungselements (4) in Schwingungen mittels Ultraschallwellen, so dass Kunststoff des Verbindungselements (4) verflüssigt wird,
- Formschlüssiges Verbinden des Permanentmagnets (2) und des Rotorblechpakets (3) mit dem Verbindungselement (4) mittels verflüssigtem Kunststoff des Verbindungselements (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versetzen des Verbindungselements (4) in Schwingungen mittels Ultraschallwellen durch eine Sonotrode (5) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Versetzen des Verbindungselements (4) in Schwingungen mittelbar über den
Permanentmagnet (2) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das formschlüssige Verbinden durch Drücken von verflüssigtem Kunststoff des Verbindungselements (4) in Hinterschneidungen (9) des Rotorblechpakets (2) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das formschlüssige Verbinden durch Drücken von verflüssigtem Kunststoff des Verbindungselements (4) in Lücken oder Zwi¬ schenräume des Rotorblechpakets oder in poröse Strukturen des Permanentmagnets (2) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (4) in Resonanzschwingungen versetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Einführen mehrerer Verbindungselemente (4) mit jeweils einem darin eingeführten Permanentmagnet (2) in jeweils eine Aufnahme (7) des Rotorblechpakets (3),
- Versetzen der Verbindungselemente (4) in Schwingungen mittels Ultraschallwellen mittels planer Sonotroden, so dass Kunststoff der Verbindungselemente (4) verflüssigt wird,
- Formschlüssiges Verbinden der Permanentmagnete (2) und des Rotorblechpakets (3) mit jeweils einem der Verbindungselemente (4) mittels verflüssigtem Kunststoff des jeweiligen Verbindungselements (4).
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einführendes Permanentmagnets (2) in ein Verbindungselement (4) aus Kunststoff durch Umspritzen des Permanentmagnets (2) mit Kunststoff des Verbindungselements (4) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Umspritzen derart erfolgt, dass das Verbindungselement (4) eine äußere profilierte Oberfläche (12) aufweist.
10. Elektrische Maschine umfassend ein Rotorblechpaket (3), in welches wenigstens ein Permanentmagnet (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche fixiert ist.
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