DE102005059587A1

DE102005059587A1 - Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Motors, und Verfahren zur Herstellung eines Rotors

Info

Publication number: DE102005059587A1
Application number: DE102005059587A
Authority: DE
Inventors: Steven-Andrew Evans; Tilo Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-07-05
Also published as: EP1964240A1; JP4878373B2; CN101331664A; CN101331664B; JP2009519695A; WO2007068515A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (13) für elektrische Maschinen mit einem Rückschluss (5), der wenigstens ein Lamellen (1) aufweisendes Blechpaket (6) umfasst, wobei die Lamelle (1) einen Grundkörper (2) und wenigstens zwei einstückig an dem Grundkörper (2) integrierte Fixierelemente (4) hat. Am Rotor (13) ist wenigstens ein Permanentmagnet (7) vorgesehen, der zwischen zwei Fixierelementen (4) einer oder mehrerer Lamellen (1) des Rotors (13) fixiert ist. Die Fixierelemente (4) weisen eine geringere Permeabilität auf als der Grundkörper (2) der Lamelle (1). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors (13), bei dem im ersten Schritt wenigstens eines der Fixierelemente (4) wärmebehandelt wird, bis die Permeabilität des Fixierelements (4) bei 1 ist. Dabei wird die Permeabilität des Grundkörpers (2) nicht verändert. Im zweiten Schritt wird die Lamelle (1) abgekühlt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für elektrische Maschinen, insbesondere für Motoren, mit einem Rückschluss, der wenigstens ein Lamellen aufweisendes Blechpaket umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors
Rotoren mit einem Rückschluss werden im Stand der Technik in bürstenlosen Gleichstrommotoren eingesetzt. Sie weisen häufig separate Oberflächenmagnete auf, die auf dem magnetisch leitenden Rückschluss aufgebracht sind. Bei einem Großteil der Gleichstrommotoren sind die Magnete auf die Außenfläche des Rückschlusses aufgeklebt. Dabei werden unterschiedliche Magnetformen verwendet, beispielsweise Schalen, Quader oder Magnete in D-Form, welche auch als „Brotlaibe" bezeichnet werden.
Die Rückschlüsse der Motoren sind entweder einstückig aus Stahl ausgebildet oder bestehen aus Paketen, die mehrere aufeinanderliegende Lamellenbleche umfassen.
Zur Ausrichtung der Magnete auf dem Rückschluss werden z. B. Hilfsadapter aus Kunststoff aufgesetzt, um die Magnete während des Aushärtens des Klebers zu positionieren. Nach Abschluss des Aushärtevorgangs werden die Hilfsadapter entfernt. Bei anderen Ausführungsformen werden in den Rückschluss des Rotors Fixierelemente integriert, zwischen die die Magnete eingepasst oder eingeklemmt werden. Damit wird eine verbesserte Positionierung der Magnete erzielt. Allerdings sind die Fixierelemente dann ebenfalls aus leitfähigem Stahl, so dass ein magnetischer Fluss im Rotor erzeugt wird, der den Fluss der Permanentmagnete kurzschließt. Dadurch wird der Gesamtfluss verringert und das Drehmoment der Maschine, insbesondere des Gleichstrommotors, reduziert.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Rotor für elektrische Maschinen mit einem Rückschluss mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die an einem Grundkörper einer Lamelle des Rückschlusses integrierten Fixierelemente eine sehr geringe Permeabilität haben. Zwischen zwei benachbarten Fixierelementen ist jeweils ein Permanentmagnet vorgesehen, der von den Fixierelementen einer oder mehrerer Lamellen gehalten ist. Die Fixierelemente weisen eine geringere Permeabilität auf als der Grundkörper der Lamelle. Dadurch wird verhindert, dass ein Kurzschluss-Streuflusspfad zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten in den Fixierelementen gebildet wird. In den Fixierelementen kann sich kein magnetischer Fluss ausbilden. Dadurch wird der gesamte nutzbare magnetische Fluss im Rotor vergrößert und das Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht.

Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist die Lamelle aus einem Zwei-Zustände-Material ausgebildet. Dabei wird vorteilhafterweise ein sogenanntes YEP-FA1-Material verwendet. Dieses Material erlaubt es, Bereiche mit unterschiedlichen Permeabilitäten zu realisieren. Das ist notwendig, da die Lamelle aus einem Grundkörper und einstückig daran integrierten Fixierelementen besteht. Die Lamelle weist also ein einheitliches Material auf. Folglich muss das Material unterschiedliche Zustände annehmen können.

Besonders bevorzugt umfasst das Material der Lamelle Eisen, Chrom und Kohlenstoff als Komponenten. Insbesondere werden 17,5 Vol%-Anteile Chrom und 0,5 Vol%-Anteile Kohlenstoff in Kombination mit dem Eisen verwendet. Ein derartiges Material eignet sich ganz besonders, da es in magnetischem Zustand eine hohe relative Permeabilität annimmt. Bevorzugt weist die Lamelle eine Permeabilität von größer 500, vorzugsweise von etwa 900 auf.

Das bevorzugte Material der Lamelle hat im magnetischen Zustand die folgenden magnetischen Eigenschaften. Die Flussdichte beträgt 1,28 Tesla bei einer magnetischen Feldstärke von 5 kA/m. Die Koerzitivfeldstärke beträgt etwa 500 A/m. Zu den mechanischen Eigenschaften dieses Zwei-Zustände-Materials gehört im magnetischen Zustand eine Zugfestigkeit von 770 MPa, eine Streckspannung von 640 MPa und eine Härte von 220 Hv. Die Dehnung liegt bei 15%. Im nicht-magnetischen Zustand verändern sich die mechanischen Eigenschaften zu einer Zugfestigkeit von etwa 930 MPa, einer Streckspannung von 350 MPa. Die Härte bleibt bei 220 Hv bestehen. Die Dehnung erhöht sich auf 40 %.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierelemente der Lamellen wärmebehandelt. Dadurch wird die Permeabilität der Fixierelemente verringert. Die lokale Wärmebehandlung des Materials bzw. der Lamelle führt dazu, dass sich die hohe Permeabilität der Lamelle an den erwärmten Stellen deutlich verringert. Die Wärmebehandlung der Fixierelemente der Lamellen kann entweder für jede Lamelle nacheinander geschehen. Dabei wird ein Fixierelement einer Lamelle nach der anderen erwärmt. Es ist auch möglich, alle oder mehrere Fixierelemente einer Lamelle gleichzeitig zu erwärmen. Fertigungstechnisch können natürlich auch gleichzeitig mehrere Lamellen erwärmt werden, so dass der Prozess der „Entmagnetisierung" der Fixierelemente beschleunigt werden kann. Das Abkühlen der Lamellen kann dann entweder stattfinden, nachdem alle Fixierelemente einer Lamelle wärmebehandelt waren, oder die Abkühlung eines einzelnen Fixierelementes findet direkt nach dessen Wärmebehandlung statt.

Bevorzugt weisen die Fixierelemente eine Permeabilität kleiner oder gleich 1,01 auf. Damit entspricht die Permeabilität der Fixierelemente vorzugsweise der von Luft. Durch die Wärmebehandlung ist es also möglich, Bereiche in dem Zwei-Zustände-Material zu schaffen, deren Permeabilität kleiner gleich 1,01 ist, wobei andere Bereiche eine relative Permeabilität im Bereich von 900 aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Rotor so aufgebaut, dass die Permanentmagnete am Umfang des Rotors angeordnet sind. Die Permanentmagnete werden zwischen zwei benachbarten Fixierelementen gehalten. Dabei hat die Lamelle vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. An den Außenseiten sind die Magnete angeordnet. An den Ecken sind die Fixierelemente integriert. Durch geeignete Wahl der Permanentmagnete, beispielsweise in D-Form, kann auf diese Weise ein Rotor erzeugt werden, dessen Querschnitt im Wesentlichen rund ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor mit einem Rückschluss, der wenigstens ein Lamellen aufweisendes Blechpaket umfasst, ausgebildet. Eine derartige elektrische Maschine, insbesondere ein Motor, hat den Vorteil, dass die am Umfang des Rückschlusses angeordneten Permanentmagnete zwischen den integrieren Fixierelementen der Lamellen eingeklemmt und festgehalten sind. Da kein magnetischer Fluss zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten durch das von den Permanentmagneten eingeschlossene Fixierelement der Lamelle fließt, ist der gesamte nutzbare Fluss des Rotors der elektrischen Maschine größer, so dass das Drehmoment der Maschine verbessert ist. Grund dafür sind die nicht-magnetischen Fixierelemente, zwischen denen die Permanentmagnete angeordnet sind.

Erfindungsgemäß hat das Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit mehreren Lamellen mit einem Grundkörper und an dem Grundkörper integrierten Fixierelementen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 den Vorteil, dass die Permeabilität der Fixierelemente durch Wärmebehandlung so weit verringert wird, bis deren Permeabilität der von Luft entspricht. Damit sind die Fixierelemente unmagnetisch. Die Fixierelemente haben damit keinen Einfluss auf den magnetischen Fluss, der zwischen benachbarten Permanentmagneten ausgebildet ist. Dazu wird nach dem Verfahren ein Zwei-Zustände-Material verwendet, aus dem die Lamellen bestehen.

In einen ersten Schritt wird nun wenigstens eines der Fixierelemente der Lamellen wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung geschieht dabei räumlich beschränkt. Der Grundkörper der Lamelle wird nicht wärmebehandelt. Zur Wärmebehandlung der Fixierelemente können dabei bekannte Verfahren verwendet werden. So können die Fixierelemente in einen Ofen eingebracht, mit einer externen Wärmestrahlung beaufschlagt oder auf eine sonstige bekannte Weise erwärmt werden. Die Erwärmung findet nur lokal statt, so dass lediglich die Fixierelemente ihre Permeabilität verändern. Die Fixierelemente werden dabei so lange erwärmt, bis sie eine Permeabilität von etwa 1 aufweisen. Dabei ist sicherzustellen, dass die Permeabilität kleiner oder gleich 1,01 ist, so dass die Permeabilität der Fixierelemente der von Luft entspricht. Die Permeabilität des Grundkörpers wird bei der lokalen Wärmebehandlung nicht verändert. Damit weist der Grundkörper selbst eine hohe Permeabilität auf. Anschließend werden die Lamellen bzw. die Fixierelemente abgekühlt.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine Lamelle eines Rotors für eine elektrische Maschine;
2 ein Rotor, der aus mehreren Lamellen aufweisenden Blechpaketen besteht;
3 der Rotor aus 2 mit fixierten Permanentmagneten;
4 ein Schnitt durch einen Motor mit dem Rotor aus 3; und
5 ein Ausschnitt aus dem Motor aus 4 mit magnetischen Feldlinien.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 der Aufbau eines Motors mit einem Rotor nach der Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine Lamelle 1 mit einem im Wesentlichen quadratischen Grundkörper 2. In der Mitte des Grundkörpers 2 ist eine Bohrung 3 vorgesehen, durch die sich die nicht dargestellte Motorwelle erstreckt. An jeder Ecke weist die Lamelle ein Fixierelement 4 auf, das einstückig mit dem Grundkörper 2 der Lamelle 1 verbunden ist.
Das Fixierelement 4 ist als Federzunge ausgebildet. Die Lamelle 1 wird in einem Arbeitsgang durch Stanzen hergestellt. Die Lamelle 1 kann mit den integrierten Fixierelementen 4 auch durch Laserschnitt oder ein sonstiges bekanntes Herstellungsverfahren hergestellt werden. Jeweils zwei benachbarte Fixierelemente 4 sind einander zugewandt und bilden ein Paar. In 1 sind jeweils die oberen und unteren Fixierelemente 4 einander zugewandt. Die Lamelle 1 besteht aus einem Zwei-Zustände-Material. Der Grundkörper 2 ist magnetisch und hat eine Permeabilität im Bereich von 900. Die Fixierelemente 4 sind nach Wärmebehandlung unmagnetisch. Die Permeabilität der Fixierelemente 4 liegt im Bereich von 1.
2 zeigt einen Rückschluss 5 eines Rotors 13, der aus zwei Blechpaketen 6 besteht. Die Blechpakete 6 des Rückschlusses 5 sind jeweils aus mehreren aufeinander geschichteten Lamellen 1 zusammengesetzt. Dabei bilden jeweils sechs Lamellen 1 ein Teilpaket 16. Das Blechpaket 6 ist aus mehreren Teilpaketen 16 zusammengebaut, wobei zwei Teilpakete 16 um jeweils 90 Grad gegeneinander versetzt sind. Durch den Verdrehwinkel von 90 Grad wird die in 2 dargestellte Form des erfindungsgemäßen Rotors 13 erzeugt. Durch den Aufbau des Blechpakets 6 aus mehreren jeweils um 90 Grad gegeneinander verdrehten Teilpaketen 16 werden fertigungsbedingte und systematische Dicken und Formtoleranzen der Lamellen 1 ausgeglichen.
3 zeigt den erfindungsgemäßen Rotor 13 mit dem Rückschluss 5 und an den Außenseiten der Lamellen 1 angeordneten Permanentmagneten 7. Die Permanentmagnete 7 haben einen D-förmigen Querschnitt. Sie weisen also die Form eines „Brotlaibs" auf. Mit ihrer Grundseite 8 liegen die Permanentmagnete 7 an der Außenseite der Blechpakete 6 an. Die Permanentmagnete 7 sind zwischen den benachbarten Fixierelementen 4 fixiert und nicht aus ihrer Position herausbewegbar. Zusätzlich können die Permanentmagnete 7 mit einem Kleber an dem Blechpaket 6 gehalten werden. In der Regel reicht aber die Fixierung durch die als Federzungen ausgebildeten Fixierelemente 4 aus.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Motor 9 mit dem erfindungsgemäßen Rotor 13. Der Motor 9 hat einen Stator 10 mit sechs Polschuhen 11. Auf diese Weise lässt sich ein 4-poliger, 3-phasiger bürstenloser Motor 9 herstellen. Der Rotor 13 ist in der Mitte des Stators 10 angeordnet. Gezeigt ist in dem Querschnitt nach 4 eine Lamelle 1 des Rotors 13. In der Mitte der Lamelle 1 ist eine Motorachse 12 eingeführt. An den Außenseiten der Lamelle 1 sind die vier Permanentmagnete 7 angeordnet. Jeder der Permanentmagnete 7 ist von je zwei Fixierelementen 4 gehalten.
5 zeigt einen Ausschnitt des Motors 9 aus 4. Dabei sind zwei Polschuhe 11 gezeigt, die zum Stator 10 gehören. Der Rotor 13 des Motors 9 ist so gedreht, dass sich das Fixierelement 4 zwischen den beiden Polschuhen 11 befindet. In der Draufsicht aus 5 ist neben des Fixierelements 4 der obersten Lamelle 1 auch ein freies Ende 14 des Fixierelements 4 der obersten Lamelle 1 des darunter liegenden Teilpakets 16 zu sehen. Die beiden teilweise dargestellten Permanentmagnete 7 liegen an der Außenseite der Lamelle 1 an. Die Permanentmagnete 7 sind zwischen je zwei Fixierelementen 4 gehalten.
In 5 ist durch die Linien der magnetische Fluss im Motor 9 dargestellt. Da die Fixierelemente 4 nach der Wärmebehandlung eine Permeabilität von etwa 1 aufweisen und unmagnetisch sind, bilden sich keine Flusslinien des magnetischen Felds in dem Fixierelement 4 aus. Die Flusslinien verlaufen vom ersten Polschuh 11 über einen zwischen Rotor 13 und Stator 10 gebildeten Rotorluftspalt 15 durch den Permanentmagneten 7. Die Flusslinien verlaufen dann weiter durch den Grundkörper 2 zum benachbarten Permanentmagneten 7, über den Rotorluftspalt 15 in den nächsten Polschuh 11. Es bilden sich keine Kurzschluss-Streuflusspfade im Fixierelement 4 aus. Der Motor 9 hat ein gegenüber einem herkömmlichen Motor erhöhtes Drehmoment.

Claims

Rotor für elektrische Maschinen mit einem Rückschluss, der wenigstens ein Lamellen (1) aufweisendes Blechpaket (6) umfasst, wobei eine Lamelle (1) einen Grundkörper (2) und wenigstens zwei einstückig an dem Grundkörper (2) integrierte Fixierelemente (4) hat, wenigstens ein Permanentmagnet (7) vorgesehen ist, der zwischen zwei Fixierelementen (4) einer oder mehrerer Lamellen (1) des Rotors (13) fixiert ist, und die Fixierelemente (4) eine geringere Permeabilität aufweisen als der Grundkörper (2) der Lamelle (1).
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle (1) aus einem Zwei-Zustände-Material besteht, vorzugsweise aus YEP-FA1-Material.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Lamelle (1) Eisen, Chrom und Kohlenstoff umfasst, insbesondere 17,5Vol% Chrom und 0,5Vol% Kohlenstoff.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (1) eine Permeabilität von größer als 500 aufweisen, vorzugsweise die Permeabilität im Bereich von 900 liegt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente (4) der Lamellen (1) wärmebehandelt sind, um die Permeabilität der Fixierelemente zu verringern.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Fixierelemente (4) kleiner oder gleich 1,01 ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Fixierelemente (4) der von Luft entspricht.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete am Umfang des Rotors (13) angeordnet sind.
Elektrische Maschine mit einem Rotor (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit mehreren Lamellen (1) mit einem Grundkörper (2) und an dem Grundkörper (2) integrierten Fixierelementen (4), wobei die Lamellen (1) aus einem Zwei-Zustände-Material bestehen, mit den folgenden Schritten: Wärmebehandeln wenigstens eines der Fixierelemente (4) bis das bzw. die Fixierelemente (4) eine Permeabilität von etwa 1 aufweisen, wobei die Permeabilität des Grundkörpers (2) der Lamelle (1) unverändert bleibt; und Abkühlen der Lamelle (1).