WO2015074774A2 - Maschinenkomponente für eine elektrische maschine - Google Patents

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Ingo Immendoerfer
Erwin Franieck
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a machine component for an electric machine and in particular a rotor for a brushless, electronically commutated and permanent-magnet electric machine.
  • a machine component for an electric machine and in particular a rotor for a brushless, electronically commutated and permanent-magnet electric machine.
  • Permanent magnets are arranged in the permanent-magnet rotor of electrical machines.
  • the magnetic exciter flux generated by these leads in interaction with a generated by energized coils of a stator of the electric machine stator magnetic flux on the one hand to a resulting magnetic field in the air gap of the electric machine and on the other hand to a coil current dependent movement of the rotor (in electromotive operation of the electric machine ) or to the generation of electric current due to movement of the rotor (in regenerative operation of the electrical see machine).
  • the permanent magnets of electrical machines are regularly designed as surface magnets, as blocks in the rotor yoke or as segment magnets with different geometries.
  • the permanent magnets may for example consist entirely of sintered ferrites or rare earths.
  • Also known is the formation of permanent magnets made of magnetic materials in which magnetic particles, in particular of ferrites or rare earths, are incorporated in a non-magnetic matrix material. An advantage of such magnetic materials is that they can easily be in almost any shape formable (in particular by injection molding), but at the same time are also easy to machine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of such an electrical machine.
  • This comprises a rotor with a rotor yoke 1 and a magnetic ring 2 surrounding the rotor yoke 1 and formed of four magnetic poles 3.
  • the electrical machine comprises a stator 4 surrounding the rotor. The cuts already mentioned in the areas of the pole gaps result because the outer sections 5 of the end faces of the magnetic poles 3 are designed to run parallel.
  • the individual magnetic poles 3 can be well fixed when a machining post-processing of those contact surfaces 6, with which the magnetic poles 3 contact the rotor yoke 1, takes place. Since the areas around the pole gaps in principle make no significant contribution to the magnetic flux increase, the reduced wall thickness due to the cuts of the magnetic ring 2 is not associated with a relevant loss of power of the electric machine. But it is also possible to fill the incisions with a non-magnetic material, if a smooth rotor surface to be formed (for example, to reduce friction losses).
  • a machine component in particular a rotor, for an electric machine, is provided with a magnet arrangement which comprises a plurality of magnetic elements (different polarity) arranged adjacent to each other in an arrangement direction, wherein the magnet elements are formed by shapes of at least one magnetic material, the wherein at least one of the magnetic elements has a varying thickness in the arrangement direction, wherein the magnet assembly is covered by a protective layer which fills a resulting from a smaller thickness of the magnet assembly recess.
  • a method of manufacturing a machine component for an electric machine wherein a magnet assembly having a plurality of magnetic members juxtaposed in an arrangement direction is formed by patterning a magnetic material comprising magnetic particles contained in a matrix material.
  • the magnetic elements are produced with a thickness varying in their arrangement direction.
  • the magnet assembly thus formed is covered with a protective layer which fills a resulting from the varying thickness of the magnet assembly recess.
  • the course of the magnetic flux density over the arrangement direction of the magnetic elements of the magnet assembly can be reproduced, changed and thus specifically the torque (in particular its course over the arrangement direction of the magnet assembly) in an electric motor or the course of the induced voltage in the stator be influenced by a generator.
  • the magnetic material may be, in particular, a plasticized magnetic material, the formation of the magnetic elements being particularly preferably by injection molding or a related process, such as e.g. Injection stamping can take place.
  • the matrix material may preferably be a (preferably paramagnetic) plastic, and more preferably a thermoplastic.
  • the protective layer covering the magnet arrangement (in particular of a paramagnetic material) may be provided. This can be especially true in the case of intended operation of the electric machine in a corrosive environment, e.g. when used as a fuel pump) and in particular when using rare earths (in particular from neodymium mixtures and / or samarium mixtures) as magnetic particles, in order to ensure protection of the magnetic elements. Furthermore, the protective layer compensates for the depressions caused by the varying thickness of the magnet arrangement, so that the unevenness of the surface of the machine component is reduced or filled.
  • the electric machine may in particular be a rotary machine, the machine component serving as a rotor which is rotatably mounted within a stator of the electric machine.
  • the magnet arrangement can then be designed in particular as a magnetic ring surrounding (preferably closed) a rotor yoke.
  • a linear machine or transverse machine is also the embodiment of the above electrical machine as a linear machine or transverse machine.
  • the arranging direction may correspond to a circumferential direction of the machine component or, in the case of a machine component provided for a transverse electric machine, the direction of a rectilinear arrangement of the magnetic elements.
  • the electric machine can be designed or used as an electric motor or generator.
  • it can furthermore be provided that the varying thickness of the magnetic elements results from the fact that the magnetic elements arranged in the arrangement direction have a smaller thickness at their edge regions relative to the adjacent magnetic elements.
  • This refinement of the machine component is based on the idea that the costs for the production of a machine component of an electrical machine can be reduced if the comparatively expensive magnetic material is saved or provided in a reduced extent at which it makes no significant contribution to Magnet flux increase and thus makes the performance of the electric machine.
  • the primary molding in particular with a plasticized material and particularly preferably by injection molding or a related method, such. Injection embossing takes place in which the magnetic material is introduced into a mold in the plasticized state (and under overpressure).
  • Another advantage of such a urformed and in particular integrally formed on the magnet assembly protective layer may lie in the fact that this largely fully contacted the side facing the protective layer of the magnetic ring and thus also fills the wells formed by the varying thickness of the magnetic elements. In the wells thus accumulates a relatively large amount of the material of the protective layer, which may have a positive effect on the production of the protective layer, in particular by injection molding or related methods. This is due to the fact that the accumulations of material the protective layer in the recesses delays a cooling of the material in the original molding, whereby a distribution of the material in the other portions of the protective layer can be supported. Furthermore, the surface of the protective layer facing away from the magnet arrangement can be designed to extend essentially in the direction of arrangement.
  • an injection point ie the point of the protective layer which is produced by the introduction of the material for the protective layer in the (injection-molded) form at injection points provided for it, is arranged in a section of the protective layer which is in Covering a portion with a relatively small magnet thickness, that is, a recess of the Magnetanord- tion is arranged.
  • at least one injection point is provided in all sections of the protective layer, which are arranged in overlap of a portion of the magnet arrangement with a relatively small thickness.
  • the protective layer By better distributing the material of the protective layer due to the accumulation of material in the recesses formed by the magnet assembly, it may be possible to form the protective layer in the other portions with a smaller thickness than would be possible with a substantially constant thickness magnet assembly.
  • This reduced thickness of the protective layer can lead to a reduced magnetic air gap height (this includes the thickness of the protective layer and the height of the actual air gap between the rotor and the stator) and thus an increase in the air gap induction.
  • This increase in the air gap induction can then be used to increase the performance of the electric machine or to an additional reduction of the magnetic material used at substantially the same performance of the electric machine.
  • a rotary or transverse electric motor comprising the above machine component as a rotor and at least one stator is provided.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of an electrical machine; and Figure 2 is an electrical machine in a schematic sectional view. Description of embodiments
  • Fig. 2 shows a cross-sectional view of a rotary electric machine transversely to an axial direction in the form of an electric motor.
  • This comprises a rotor as a machine component in the form of an internal rotor, which is rotatably mounted within an only indicated cylindrical stator 4.
  • the rotor comprises a rotor yoke 1 and a rotor assembly 1 surrounding, with this rotatably connected magnet assembly 1 1 in the form of a magnetic ring 2.
  • the rotor yoke 1 forms in the embodiment shown at the same time a rotor shaft.
  • the magnetic ring 2 is composed of several, in the embodiment shown four magnetic elements 3, which are diametrically magnetized and frontally adjacent in the circumferential direction (corresponding to the arrangement direction of the magnetic elements 3 of the Magnetan angel 1) to each other.
  • the magnet ring 2 is thus formed in a closed manner. It is also possible to form the Magnetan angell 1 such that adjacent magnetic poles do not contact the front side in the circumferential direction.
  • the magnetic elements 3 of the magnet ring 2 are formed with a thickness varying in the circumferential direction, the thickness being measured in the radial direction with respect to a rotor axis.
  • the two circumferentially adjacent end portions 32 of each magnetic element 3 have a smaller thickness than the corresponding central portions 31 of the magnetic elements 3.
  • the adjacent end portions 32 of two magnetic elements 3 thus each form a recess 12 in the outer side surface of the Magnetic rings 2 off.
  • the magnet ring 2 is produced by injection molding a magnetic material comprising magnetic particles 8 embedded in a matrix material 9.
  • the magnetic material is introduced in plasticized form into an injection mold (not shown) where it hardens.
  • the magnetic elements 3 can be injection-molded separately or together.
  • the magnetization of the magnetic elements 3 can be done in the injection mold and in particular in the plasticized state of the magnetic material or subsequently. If the magnetic elements 3 are injection-molded together as a magnetic ring 2, then the injection molding of the magnetic ring 2 can also be done separately, so that it is pushed onto the rotor yoke 1 only after removal from the mold. But it is also possible to form the magnetic ring 2 to the rotor yoke 1.
  • the magnetic ring 2 is surrounded on the outside by a paramagnetic protective layer 10. This serves in particular to protect the magnetic ring 2 and in particular the magnetic particles 8 contained therein from a corrosive environment in which the electric motor is possibly operated.
  • the protective layer 10 is likewise produced by prototyping and in particular injection molding, with molding preferably being provided on the (largely) cured magnetic ring 2.
  • injection mold (not shown) for the protective layer 10
  • one or more Anspritzstellen are provided in those areas which are relatively centrally (seen in the circumferential direction) with respect to all of the magnetic ring 2 formed by depressions.
  • About the Anspritzstellen provided for the formation of the protective layer 10 material is introduced under pressure into the injection mold.
  • the protective layer 10 thus forms corresponding injection points 7 in the region of these injection points.
  • the material for the protective layer 10 which has been heated to plasticize, initially spreads in the depressions starting from the injection points 7 and then flows into those portions of the later protective layer 10 which cover the sections of the magnetic ring 2 with a relatively large thickness. Since a substantially cylindrical outer contour is provided for the protective layer 10, the thickness of the protective Layer 10 in these sections less than in the recesses of the magnetic ring 2 overlapping sections.
  • the described embodiment of the rotor makes it possible to produce a protective layer 10 which has a smaller thickness in the portions covering the magnet ring 2 with a relatively large thickness than in a conventional electric motor with a cylindrical outer surface of the magnet ring and thus with one substantially constant thickness of the protective layer (with an equal number of injection points) would be the case.
  • the air gap inductance behaves inversely proportional to the width of the magnetically active air gap ⁇ (sum of actual air gap (which also with something else) Air can be filled) and the thickness of the non-magnetic
  • This example is based on a width of the actual loss gap of 0.5 mm and a (constant) thickness of the protective layer with a cylindrical magnet ring of 0.5 mm, which in the case of the protective layer 10 of the rotor according to the invention in the sections with relatively small thickness is only 0, 3 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente, insbesondere einen Läufer, für eine elektrische Maschine, mit einer Magnetanordnung (11), die eine Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente (3) umfasst, wobei die Magnetelemente (3) durch Urformen eines Magnetwerkstoff, der in einem Matrixwerkstoff (9) enthaltene Magnetteilchen (8) umfasst, ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Magnetelemente (3) eine in Anordnungsrichtung variierende Dicke aufweist, wobei die Magnetanordnung (11) von einer Schutzschicht (10) bedeckt ist, die eine sich durch die variierende Dicke der Magnetanordnung (11) ergebende Vertiefung ausfüllt.

Description

Beschreibung
Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine und insbesondere einen Läufer für eine bürstenlose, elektronisch kommu- tierte und permanenterregte elektrische Maschine. Stand der Technik
Im permanenterregten Läufer von elektrischen Maschinen sind Permanentmagnete angeordnet. Die von diesen erzeugte magnetische Erregerdurchflutung führt in Wechselwirkung mit einer durch bestromte Spulen eines Stators der elektrische Maschine erzeugten magnetischen Statordurchflutung einerseits zu einem resultierenden Magnetfeld im Luftspalt der elektrischen Maschine und andererseits zu einer von einem Spulenstrom abhängigen Bewegung des Läufers (bei elektromotorischem Betrieb der elektrische Maschine) oder zu der Erzeugung von elektrischem Strom infolge einer Bewegung des Läufers (bei generatorischem Betrieb der elektri- sehe Maschine).
Die Permanentmagnete von elektrischen Maschinen werden regelmäßig als Oberflächenmagnete, als Blöcke im Rotorjoch oder als Segmentmagnete mit unterschiedlichen Geometrien ausgeführt. Dabei können die Permanentmagnete bei- spielsweise vollständig aus gesinterten Ferriten oder Seltenen Erden bestehen. Bekannt ist auch die Ausbildung von Permanentmagneten aus Magnetwerkstoffen, bei denen magnetische Teilchen, insbesondere aus Ferriten oder Seltenen Erden, in einem nichtmagnetischen Matrixwerkstoff eingebunden sind. Ein Vorteil solcher Magnetwerkstoffe ist, dass diese auf einfache Weise in nahezu beliebigen Formen urformbar (insbesondere durch Spritzgießen), gleichzeitig aber auch gut zerspanbar sind.
Von elektrischen Maschinen mit Rotor, bei denen gesinterte Magnetpole einen Magnetring ausbilden, ist bekannt, die Form der Magnetpole derart auszubilden, dass sich keine geschlossene Oberfläche sondern Einschnitte im Bereich der Pollücken, d.h. in den Übergängen zwischen benachbarten Magnetpolen, ergeben. Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine solche elektrische Maschine. Diese umfasst einen Rotor mit einem Rotorjoch 1 sowie einem das Rotorjoch 1 umgeben- den Magnetring 2, der aus vier Magnetpolen 3 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die elektrische Maschine einen den Rotor umgebenden Stator 4. Die bereits angesprochenen Einschnitte in den Bereichen der Pollücken ergeben sich, da die außenliegenden Abschnitte 5 der Stirnflächen der Magnetpole 3 parallel verlaufend ausgebildet werden. An diesen parallel verlaufenden Abschnitten 5 können die einzelnen Magnetpole 3 gut fixiert werden, wenn eine spanende Nachbearbeitung derjenigen Kontaktflächen 6, mit denen die Magnetpole 3 das Rotorjoch 1 kontaktieren, erfolgt. Da die Bereiche um die Pollücken grundsätzlich keinen wesentlichen Beitrag zur Magnetflusserhöhung leisten, ist die verringerte Wandstärke infolge der Einschnitte des Magnetrings 2 nicht mit einem relevanten Leistungsverlust der elektrischen Ma- schine verbunden. Möglich ist aber auch, die Einschnitte mit einem nichtmagnetischen Material zu verfüllen, sofern eine glatte Rotoroberfläche ausgebildet werden soll (z.B. zur Verringerung von Reibungsverlusten).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe vorteilhafte elektrische Maschine in möglichst kostengünstiger Weise herzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschi- ne gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschinenkomponente gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Maschinenkomponente, insbesondere ein Läufer, für eine elektrische Maschine, mit einer Magnetanordnung vorgesehen, die eine Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente (unterschiedlicher Polung) umfasst, wobei die Magnetelemente durch Urfor- men mindestens eines Magnetwerkstoffs, der in einem Matrixwerkstoff enthaltene Magnetteilchen umfasst, ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Magnetelemente eine in Anordnungsrichtung variierende Dicke aufweist, wobei die Magnetanordnung von einer Schutzschicht bedeckt ist, die eine sich durch eine geringere Dicke der Magnetanordnung ergebende Vertiefung ausfüllt.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Maschinenkomponente für eine Elektromaschine vorgesehen, wobei eine Magnetanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente durch Urformen von einem Magnetwerkstoff, der in einem Matrix- werkstoff enthaltene Magnetteilchen umfasst, ausgebildet wird. Dabei werden die Magnetelemente mit einer in deren Anordnungsrichtung variierenden Dicke erzeugt. Weiterhin wird die so gebildete Magnetanordnung mit einer Schutzschicht bedeckt, die eine sich durch die variierende Dicke der Magnetanordnung ergebende Vertiefung ausfüllt.
Durch die variierende Dicke der Magnetelemente kann der Verlauf der magnetischen Flussdichte über der Anordnungsrichtung der Magnetelemente der Magnetanordnung wiedergibt, verändert werden und damit gezielt das Drehmoment (insbesondere dessen Verlauf über der Anordnungsrichtung der Magnetanordnung) bei einem Elektromotor beziehungsweise der Verlauf der im Stator induzierten Spannung bei einem Generator beeinflusst werden.
Bei dem Magnetwerkstoff kann es sich insbesondere um einen plastifizierten Magnetwerkstoff handeln, wobei die Ausbildung der Magnetelemente besonders bevorzugt durch Spritzgießen oder einem verwandten Verfahren, wie z.B. Spritzprägen erfolgen kann. Bei dem Matrixwerkstoff kann es sich vorzugsweise um einen (vorzugsweise paramagnetischen) Kunststoff und besonders bevorzugt um einen thermoplastischen Kunststoff handeln.
Es kann vorgesehen sein, die Magnetelemente direkt mittels Urformen mit der vari- ierenden Dicke zu erzeugen, so dass eine dazu dienende spanende Nachbearbei- tung nicht erforderlich ist. Dadurch kann nicht nur der zusätzliche Bearbeitungsaufwand eingespart werden, sondern auch ein Abfall von Magnetmaterial vermieden werden. Die Herstellung der variierenden Dicke der Magnetelemente kann somit zu gleichen oder infolge eines geringeren Materialeinsatzes sogar geringeren Herstel- lungskosten wie bei einer Magnetanordnung mit konstanter Dicke möglich sein.
Weiterhin kann die die Magnetanordnung bedeckende Schutzschicht (insbesondere aus einem paramagnetischen Material) vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei einem vorgesehenen Betrieb der elektrische Maschine in einer korrosiven Um- gebung, z.B. bei einer Nutzung als Kraftstoffpumpe) und insbesondere bei der Verwendung von Seltenen Erden (insbesondere aus Neodymmischungen und/oder Samariummischungen) als Magnetteilchen vorgesehen sein, um einen Schutz der Magnetelemente zu gewährleisten. Weiterhin sorgt die Schutzschicht für einen Ausgleich der durch die variierende Dicke der Magnetanordnung bewirkten Vertiefun- gen, so dass die Unebenheit der Oberfläche der Maschinenkomponente verringert bzw. ausgefüllt wird.
Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um eine Rotationsmaschine handeln, wobei die Maschinenkomponente als Rotor dient, der innerhalb eines Stators der elektrischen Maschine rotierbar gelagert ist. Die Magnetanordnung kann dann insbesondere als ein ein Rotorjoch umgebender (vorzugsweise geschlossener) Magnetring ausgebildet sein. Grundsätzlich möglich ist aber auch die Ausgestaltung der obigen elektrischen Maschine als Linearmaschine bzw. transversale Maschine.
Insbesondere kann die Anordnungsrichtung bei einer für eine rotatorische elektrische Maschine (Rotationsmaschine) vorgesehenen Maschinenkomponente einer Umfangsrichtung der Maschinenkomponente oder bei einer für eine tranversale elektrische Maschine vorgesehenen Maschinenkomponente der Richtung einer ge- radlinigen Anordnung der Magnetelemente entsprechen.
Die elektrische Maschine kann als Elektromotor oder Generator ausgebildet sein beziehungsweise eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Maschinenkomponente kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich die variierende Dicke der Magnetelemente daraus ergibt, dass die in Anordnungsrichtung angeordneten Magnetelemente an ihren Randbereichen zu den benachbarten Magnetelementen eine geringere Dicke aufweisen.
Dieser Weiterbildung der Maschinenkomponente liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kosten für die Herstellung einer Maschinenkomponente einer elektrische Maschine gesenkt werden können, wenn der vergleichsweise teure magnetische Werkstoff an denjenigen Stellen eingespart oder im verringerten Umfang vorgese- hen wird, an denen dieser keinen wesentlichen Beitrag zur Magnetflusserhöhung und damit zur Leistungsfähigkeit der elektrische Maschine leistet.
Somit kann vorgesehen sein, in den Pollücken Vertiefungen in der Magnetanordnung auszubilden, die aus einem verringerten Einsatz des vergleichsweise teuren magnetischen Materials resultieren. Dies führt zu einer Kosteneinsparung für die Herstellung der Maschinenkomponente, ohne dass damit relevante Leistungseinbußen für die die Maschinenkomponente umfassende elektrische Maschine einhergehen. Eine einfache und kostengünstige Herstellung der Schutzschicht kann erreicht werden, wenn diese ebenfalls durch Urformen ausgebildet und insbesondere an die Magnetanordnung angeformt wird. Dabei kann das Urformen insbesondere mit einem plastifizierten Werkstoff und besonders bevorzugt durch Spritzgießen oder einem verwandten Verfahren, wie z.B. Spritzprägen erfolgen, bei denen der Magnet- werkstoff im plastifizierter Zustand (und unter Überdruck) in eine Form eingebracht wird.
Ein weiterer Vorteil einer solchen urgeformten und insbesondere an die Magnetanordnung angeformten Schutzschicht kann darin liegen, dass diese weitgehend voll- flächig die der Schutzschicht zugewandten Seite des Magnetrings kontaktiert und damit auch die durch die variierende Dicke der Magnetelemente ausgebildeten Vertiefungen ausfüllt. In den Vertiefungen sammelt sich somit eine vergleichsweise große Menge des Materials der Schutzschicht, was sich positiv auf die Herstellung der Schutzschicht insbesondere mittels Spritzgießens oder verwandter Verfahren auswirken kann. Dies ist darin begründet, dass die Ansammlungen des Materials der Schutzschicht in den Vertiefungen eine Auskühlung des Materials beim Urformen verzögert, wodurch eine Verteilung des Materials in die anderen Abschnitte der Schutzschicht unterstützt werden kann. Weiterhin kann die der Magnetanordnung abgewandte Oberfläche der Schutzschicht im Wesentlichen in Anordnungsrichtung verlaufend ausgebildet sein. Auf diese Weise kann bei Maschinenelementen für rotatorische elektrische Maschinen eine kreiszylinderförmige Oberfläche ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann daher auch vorgesehen sein, dass ein Anspritzpunkt, d.h. die Stelle der Schutzschicht, die durch das Einbringen des Materials für die Schutzschicht in die (Spritzgieß-) Form an dafür vorgesehen Anspritzstellen erzeugt wird, in einem Abschnitt der Schutzschicht angeordnet ist, der in Überdeckung eines Abschnitts mit relativ geringer Magnetdicke, d.h. einer Vertiefung der Magnetanord- nung angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in allen Abschnitten der Schutzschicht, die in Überdeckung eines Abschnitts der Magnetanordnung mit relativ geringer Dicke angeordnet sind, zumindest ein Anspritzpunkt vorgesehen ist. Durch die bessere Verteilung des Materials der Schutzschicht infolge der Materialansammlungen in den von der Magnetanordnung ausgebildeten Vertiefungen kann ermöglicht werden, die Schutzschicht in den anderen Abschnitten mit geringerer Dicke auszubilden, als dies bei einer Magnetanordnung mit im Wesentlichen konstanter Dicke möglich wäre. Diese verringerte Dicke der Schutzschicht kann zu ei- ner verringerten magnetischen Luftspalthöhe (diese umfasst die Dicke der Schutzschicht und die Höhe des tatsächlichen Luftspalts zwischen dem Läufer und dem Stator) und damit zu einer Erhöhung der Luftspaltinduktion führen. Diese Erhöhung der Luftspaltinduktion kann dann zur Leistungssteigerung der elektrischen Maschine oder zu einer zusätzlichen Verringerung des eingesetzten magnetischen Materials bei im Wesentlichen gleicher Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein rotarischer oder transversaler Elektromotor, der die obige Maschinenkomponente als Läufer sowie zumindest noch einen Stator umfasst, vorgesehen. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine; und Figur 2 eine elektrische Maschine in einer schematischen Schnittdarstellung. Beschreibung von Ausführungsformen
Die Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer rotatorischen elektrischen Maschine quer zu einer axialen Richtung in Form eines Elektromotors. Dieser umfasst einen Läufer als Maschinenkomponente in Form eines innenlaufenden Rotors, der drehbar innerhalb eines nur angedeuteten zylinderförmigen Stators 4 gelagert ist.
Der Rotor umfasst ein Rotorjoch 1 sowie eine das Rotorjoch 1 umgebende, mit diesem drehfest verbundene Magnetanordnung 1 1 in Form eines Magnetrings 2. Das Rotorjoch 1 bildet im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig eine Rotorwelle. Der Magnetring 2 setzt sich aus mehreren, im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Magnetelementen 3 zusammen, die diametral magnetisiert sind und stirnseitig in Umfangsrichtung (entsprechend der Anordnungsrichtung der Magnetelemente 3 des der Magnetanordnungl 1 ) aneinander angrenzen. Der Magnetring 2 ist somit ge- schlössen ausgebildet. Möglich ist auch, die Magnetanordnungl 1 derart auszubilden, dass sich benachbarte Magnetpole stirnseitig in Umfangsrichtung nicht kontaktieren.
Die Magnetelemente 3 des Magnetrings 2 sind mit einer in Umfangsrichtung variie- renden Dicke ausgebildet, wobei die Dicke in radialer Richtung bezüglich einer Rotorachse gemessen ist. Dabei weisen die beiden in Umfangsrichtung aneinander- grenzenden Endabschnitte 32 jedes Magnetelements 3 eine geringere Dicke auf als die entsprechenden mittigen Abschnitte 31 der Magnetelemente 3. Die angrenzenden Endabschnitte 32 von zwei Magnetelementen 3 bilden somit jeweils eine Vertie- fung 12 in der au ßenseitigen Oberfläche des Magnetrings 2 aus. Die Herstellung des Magnetrings 2 erfolgt durch Spritzgießen eines Magnetwerkstoffs, der Magnetteilchen 8 umfasst, die in einem Matrixwerkstoff 9 eingebettet sind. Der Magnetwerkstoff wird dazu in plastifizierter Form in eine Spritzgießform (nicht dargestellt) eingebracht, wo dieser aushärtet. Dabei können die Magnetelemente 3 separat oder gemeinsam spritzgegossen werden. Die Magnetisierung der Magnetelemente 3 kann in der Spritzgießform und insbesondere im plastifizierten Zustand des Magnetwerkstoffs oder auch nachträglich erfolgen. Werden die Magnetelemente 3 gemeinsam als Magnetring 2 spritzgegossen, so kann das Spritzgießen des Magnetrings 2 zudem separat erfolgen, so dass dieser erst nach der Entformung auf das Rotorjoch 1 aufgeschoben wird. Möglich ist aber auch, den Magnetring 2 an das Rotorjoch 1 anzuformen. Der Magnetring 2 ist au ßenseitig von einer paramagnetischen Schutzschicht 10 umgeben. Diese dient insbesondere dazu, den Magnetring 2 und insbesondere die darin enthaltenen Magnetteilchen 8 vor einer korrosiven Umgebung, in der der Elektromotor möglicherweise betrieben wird, zu schützen. Die Schutzschicht 10 wird ebenfalls durch Urformen und insbesondere Spritzgießen hergestellt, wobei vorzugsweise ein Anformen an den (weitgehend) ausgehärteten Magnetring 2 vorgesehen ist. In der Spritzgießform (nicht dargestellt) für die Schutzschicht 10 sind ein oder mehrere Anspritzstellen in denjenigen Bereichen vorgesehen, die relativ mittig (in Umfangsrichtung gesehen) bezüglich aller der von dem Magnetring 2 ausgebildeten Vertiefungen angeordnet sind. Über die Anspritzstellen wird das für die Ausbildung der Schutzschicht 10 vorgesehene Material unter Druck in die Spritzgießform eingebracht. Die Schutzschicht 10 bildet somit im Bereich dieser Anspritzstellen entsprechende Anspritzpunkte 7 aus. Das zur Plastifizierung erwärmte Material für die Schutzschicht 10 verteilt sich ausgehend von den Anspritzpunkten 7 zunächst in den Vertiefungen und fließt dann in diejenigen Abschnitte der späteren Schutzschicht 10, die die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdecken. Da für die Schutzschicht 10 eine im Wesentlichen zylindrische Au ßenkontur vorgesehen ist, ist die Dicke der Schutz- Schicht 10 in diesen Abschnitten geringer als in den die Vertiefungen des Magnetrings 2 überdeckenden Abschnitten.
Grundsätzlich ist der Herstellung von flächigen Elementen mittels Spritzgießens nur bis zu einem (von einer Vielzahl von Parametern abhängigen) bestimmten Verhältnis von Dicke zur Fläche möglich, da eine nur dünne Spritzgießfront relativ schnell erstarrt und dann eine weitere Ausbreitung in der Spritzgießform verhindert ist.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Rotors wird ermöglicht, eine Schutz- Schicht 10 herzustellen, die in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten eine geringere Dicke aufweist als dies bei einem konventionellen Elektromotor mit einer zylindrischen Außenfläche des Magnetrings und somit mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke der Schutzschicht (bei einer gleichen Anzahl an Anspritzpunkten) der Fall wäre. Dies liegt zum einen daran, dass die Abschnitte der Schutzschicht 10 mit relativ geringer Dicke vergleichsweise klein (da in Umfangsrichtung vergleichsweise kurz) sind, und zum anderen, dass die Abschnitte der Schutzschicht 10 mit relativ großer Dicke, die von den Materialansammlungen in den Vertiefungen des Magnetrings 2 ausgebildet werden, als thermische Reservoire wirken, die eine Auskühlung des Materials der Schutzschicht 10 während des Spritzgießens verlangsamen.
Durch eine Verringerung der Dicke der Schutzschicht 10 in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten kann der Magnetring 2 näher an den Stator 4 heranrücken (ein mechanischer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator 4 von ca. 0,5 mm ist aus Toleranzgründen regelmäßig nicht vermeidbar, um einen reibungserhöhenden direkten Kontakt zwischen Rotor und Stator 4 zu vermeiden), wodurch die Luftspaltinduktivität erhöht und im Ergebnis entweder der magnetische Fluss im Luftspalt und damit die Leistungsfähigkeit des Elektromotors erhöht oder eine Verwendung von weniger Magnetmaterial für den Magnetring 2 bei im Wesentlichen gleichbleibender Leistungsfähigkeit des Elektromotors erreicht werden kann. Dieser positive Effekt der Ausgestaltung des Rotors wird auch nicht durch die vergleichsweise dicke Schutzschicht 10 in den die Vertiefungen des Magnetrings 2 überdeckenden Abschnitten und die dortige Ausbildung des Magnetrings 2 mit relativ geringer Dicke ausgeglichen, da in den an die Pollücken angrenzenden Randbereichen der Magnetpole 3, d.h. in den Berührzonen der luftspaltseitigen Nord-Magnetisierung und der luftspaltseitigen Süd- Magnetisierung nur eine sehr schwache Magnetisierung vorliegt, so dass diese Bereiche auch nur sehr wenig zur Luftspaltinduktion beintragen und der Magnetring 2 dort somit nahezu feldfrei ist.
Wird der magnetische Spannungsabfall in einem Eisenkern des Stators 4 unberücksichtigt gelassen (angenommene unendlich große Permeabilität μ im Eisenkern), so verhält sich die Luftspaltinduktivität umgekehrt proportional zur Breite des magnetisch wirksamen Luftspalts δ (Summe aus tatsächlichem Luftspalt (der auch mit et- was anderem als Luft gefüllt sein kann) und der Dicke der nichtmagnetischen
Schutzschicht 10). Eine Verringerung des magnetisch wirksamen Luftspalts δ um ca. 0,2 mm, wie dies in den die Abschnitte des Magnetrings 2 mit relativ großer Dicke überdeckenden Abschnitten der Schutzschicht 10 infolge der Ausgestaltung des Rotors möglich ist, kann beispielsweise zu einer theoretischen Verbesserung der Luftspaltinduktivität von 25% führen, die unter der Berücksichtigung der realen Permeabilität im Eisenkern des Stators 4 noch einer Verbesserung von ca. 10% bis 15% gleichkommt. Diesem Beispiel liegt eine Breite des tatsächlichen Lustspalts von 0,5 mm und einer (konstanten) Dicke der Schutzschicht bei zylindrischem Magnetring von 0,5 mm zugrunde, die bei der Schutzschicht 10 des erfindungsgemäßen Rotors in den Abschnitten mit relativ geringer Dicke lediglich noch 0,3 mm beträgt.

Claims

Ansprüche 1 . Maschinenkomponente, insbesondere Läufer, für eine elektrische Maschine, mit einer Magnetanordnung (1 1 ), die eine Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente (3) umfasst, wobei die Magnetelemente (3) durch Urformen eines Magnetwerkstoff, der in einem Matrixwerkstoff (9) enthaltene Magnetteilchen (8) umfasst, ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Mag- netelemente (3) eine in Anordnungsrichtung variierende Dicke aufweist, wobei die Magnetanordnung (1 1 ) von einer Schutzschicht (10) bedeckt ist, die eine sich durch die variierende Dicke der Magnetanordnung (1 1 ) ergebende Vertiefung ausfüllt.
2. Maschinenkomponente gemäß Anspruch 1 , wobei die in Anordnungsrichtung angeordneten Magnetelemente (3) an ihren Randbereichen zu den benachbarten
Magnetelementen (3) eine geringere Dicke aufweisen.
3. Maschinenkomponente gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnungsrichtung bei einer für eine rotatorische elektrische Maschine vorgesehenen Maschinenkom- ponente einer Umfangsrichtung der Maschinenkomponente oder bei einer für eine transversale elektrische Maschine vorgesehenen Maschinenkomponente der Richtung einer geradlinigen Anordnung der Magnetelemente (3) entspricht.
4. Maschinenkomponente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutz- Schicht (10) durch Urformen ausgebildet ist.
5. Maschinenkomponente gemäß Anspruch 4, wobei die Schutzschicht (10) vollflächig die dieser zugewandten Seite der Magnetanordnung (1 1 ) kontaktiert.
6. Maschinenkomponente gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die der Magnetanordnung (1 1 ) abgewandte Oberfläche der Schutzschicht (10) im Wesentlichen in Anordnungsrichtung verlaufend ausgebildet ist.
7. Maschinenkomponente gemäß Anspruch 6, wobei die Oberfläche der Schutz- Schicht (10) eine Kreiszylinderform aufweist.
8. Maschinenkomponente gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein
Anspritzpunkt (7) in einem Abschnitt der Schutzschicht (10) angeordnet ist, der in Überdeckung eines Abschnitts mit relativ geringer Dicke der Magnetanordnung (1 1 ) angeordnet ist.
9. Maschinenkomponente gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei
Anspritzpunkte (7) in allen Abschnitten der Schutzschicht (10) angeordnet sind, die in Überdeckung eines Abschnitts der Magnetanordnung (1 1 ) mit relativ geringer Dicke angeordnet sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine, wobei eine Magnetanordnung (1 1 ) mit einer Mehrzahl von in einer Anordnungsrichtung aneinander angeordneten Magnetelemente (3) durch Urformen von einem Magnetwerkstoff, der in einem Matrixwerkstoff enthaltene Magnetteilchen umfasst, ausgebildet wird, wobei die Magnetelemente (3) mit einer in Anordnungsrichtung variierenden Dicke erzeugt werden, wobei die Magnetanordnung (1 1 ) mit einer Schutzschicht (10) bedeckt wird, die eine sich durch eine geringere Dicke der Magnetanordnung (1 1 ) ergebende Vertiefung ausgleicht.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Magnetwerkstoff im plastifizierten Zustand in eine Form eingebracht wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , wobei ein Material zur Ausbildung der Schutzschicht (10) über eine Anspritzstelle in einen Abschnitt einer Form eingebracht wird, der in Überdeckung eines Abschnitts der Magnetanordnung (1 1 ) mit relativ geringer Dicke angeordnet ist.
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