DE4111411B4

DE4111411B4 - Rotor mit einem Schutzmantel

Info

Publication number: DE4111411B4
Application number: DE4111411A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Amrhein; Benno Doemen
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2011-04-10
Also published as: DE4111411A1

Abstract

Rotor (1) mit zylindrischer Außenfläche, insbesondere für Elektromotoren, der in radialer Richtung aus einem oder mehreren Teilbereichen besteht, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, mit einem Schutzmantel (5), wobei der Schutzmantel (5) ein federndes Bauteil aufweist, welches als Schraubenfeder (51) mit Windungen (52) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor mit einem Schutzmantel und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Es ist bekannt Rotoren, die bruchgefährdete Bauelemente enthalten, mittels eines Schutzmantels gegen Beschädigungen zu schützen. Solche Beschädigungen können verursacht werden durch radiale Fliehkräfte als Folge hoher Umfangsgeschwindigkeiten, magnetische Anzugskräfte, Erschütterungen, Fallkräfte, thermische Ausdehnungskräfte usw.
Als Schutzmantel sind dünnwandige Rohre aus Metall oder Glasfaser- bzw. Kohlefasergeflechten bekannt, die über den Rotor geschoben und verklebt werden. Solche Rohre müssen paßgenau ausgeführt werden und verursachen dadurch hohe Kosten.

Aus der US 2877366 A als nächstliegendem Stand der Technik bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bekannt, Permanentmagnet- Segmente eines Rotors mittels verbundener halbkreisförmiger Bleche von außen her in radialer Richtung zu haltern. Dabei ist der Innendurchmesser der Halterung etwas kleiner als der Außendurchmesser der zu halternden Permanentmagnete. Beim Aufpressen der Halterung wird diese elastisch gedehnt. Die Magnete werden auf diese Weise sicher gehalten.

Die JP 01008850 A beschreibt als nächstliegenden Stand der Technik bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit zylindrischer Außenfläche, insbesondere für Elektromotoren, der in radialer Richtung aus mehreren Teilbereichen besteht, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, mit einem Schutzmantel. Dabei wird der Schutzmantel als Einlegeteil in einem Gußverfahren am Rotor fixiert.

Aus der DE 37 19 197 A1 geht hervor einen Rotor für elektrische Maschinen mit mindestens zwei darauf geklebten Permanentmagneten in Umfangsrichtung mit einer Kunststoffbandage zu versehen.

Der DE 1 081 124 B ist ein Elektromotor zu entnehmen, dessen Rotorpaket mittels einer Schraubenfeder auf einer zylindrischen Welle befestigt ist.

Die WO 82/04505 A1 offenbart einen Rotor für eine permanentmagnetisch erregte, elektrische Maschine, dessen Magnetsegmente mittels eines magnetisierbaren Klebemittels, insbesondere einer mit einem magnetisierbaren Stoff getränkten Bandage, gehalten werden.

Es ist auch bekannt bei Rotoren von Elektromotoren, die Permanentmagnete mittels eines Schutzmantels gegen Beschädigungen zu schützen. Dieser Schutzmantel wird durch Umwickeln und Verkleben der Rotoren mit Drähten, Bändern oder Geflechten aus Metall-, Kohle- oder Glasfasern erzeugt. Zur Erzielung gleichmäßiger dünner Schichten ist ein aufwendiger Wickelprozeß sowie eine Nachbehandlung der Oberfläche erforderlich. Zudem können Risse an den Nahtstellen auftreten und bei der Nachbearbeitung die Fasern verletzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die hier in Rede stehenden Rotoren so zu verbessern, daß bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit die Kosten bei dem Verfahren der Herstellung solcher Rotoren gesenkt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Rotors gemäß dem Stand der Technik;
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotors;
3 einen Schnitt durch den Rotor gemäß 2, und
4 eine perspektivische Darstellung eines Schutzmantels gemäß 2 und 3.
1 zeigt einen Rotor 1 wie er beispielsweise in schnellaufenden Elektromotoren Verwendung findet. Der Rotor 1 besteht aus einer Welle 2, auf der eine ferromagnetische Hülse 3 befestigt ist. Auf dem Außenmantel der Hülse 3 sind permanentmagnetische Rotorpole 4 angebracht. Um bei sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten oder anderen hohen Belastungen zu verhindern, daß sich die Rotorpole 4 lösen, ist ein Schutzmantel 5 um diese Rotorpole 4 herum angeordnet.
In 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßer Rotor dargestellt, der im wesentlichen dem in 1 entspricht. Der Schutzmantel 5 besteht hier aber nicht aus einer Hülse oder einem Geflecht sondern aus einer Schraubenfeder 51 mit Windungen 52. Die Windungen 52 sind gleichmäßig, vorzugsweise aneinanderliegend, auf die gesamte axiale Länge der Rotormantels verteilt angeordnet. Die Schraubenfeder 51 ist als Zugfeder ausgebildet, deren Windungen 52 mit leichter Vorspannung aufeinander liegen, wobei der Innendurchmesser d der entspannten Schraubenfeder 51 gleich oder kleiner ist als der Durchmesser des Rotors.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Schutzmantels 5 für den Rotor 1 wird im folgenden beschrieben. Die Rotoroberfläche wird mit einer Kleberschicht versehen. Zum Beispiel durch Aufdrehen der Schraubenfeder 51 wird der Innendurchmesser der Schraubenfeder 51 vergrößert. Die Schraubenfeder 51 läßt sich so leicht über den Rotor 1 ziehen oder schieben. Nach dem Aufschieben schlingen sich die Drahtwindungen 52 paßgenau um die Rotoroberfläche, wobei die Zugfeder entlastet wird. Der auf der Rotoroberfläche aufgebrachte Kleber härtet ohne zusätzliche Vorrichtungen aus. Vorteilhafterweise wird der Innendurchmesser der entspannten Schraubenfeder 51 kleiner gewählt als der Durchmesser des Rotors, um eine straffere bzw. enge Umschlingung zu erreichen. Dadurch wird ein Toleranzausgleich sowie auch eine hohe Rundlaufgenauigkeit am Außendurchmesser des Schutzmantels gewährleistet. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich.
Der Drahtquerschnitt der Schraubenfeder 51 kann rechteckig oder rund sein. Wichtig ist, daß er in seiner gesamten Länge möglichst geringe Toleranz in der Dicke aufweist.
Parameter zur Beeinflussung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Schutzmantels 5 sind im wesentlichen der Drahtdurchmesser, der Windungsdurchmesser, die Steigung der Windungen und das Material der Schraubenfeder 51.
Der als Schraubenfeder 51 ausgeführte Schutzmantel 5 ist in 3 auf einem im Schnitt dargestellten Rotor und in 4 separat in Perspektive gezeigt, worin der Innendurchmesser d und der Außendurchmesser D mittels Doppelpfeil dargestellt sind.
Für die Ummantelung (Schutzmantel 5) von Rotoren in Elektromotoren, insbesondere permanentmagnetischen Rotoren, kann es von Vorteil sein, die Schraubenfeder 51 in magnetisch leitendem Material (z. B. Stahl) auszuführen. Es entsteht durch die Ummantelung somit kein wesentlicher magnetischer Abfall bzw. keine nennenswerte Vergrößerung des magnetischen Luftspaltes. Bei dünnem Federdrahtquerschnitt kann der Nachteil des magnetischen Kurzschlusses zwischen den Magnetpolen vernachlässigt werden, da das Federmaterial sehr früh in magnetische Sättigung gelangt. Ist dieser Nebeneffekt unerwünscht, sollte nicht-ferromagnetisch Federmaterial verwendet werden.
Die Hauptbelastung des Rotors durch die Fliehkräfte erfolgt in radialer Richtung. Dies ist sehr ungünstig für Klebeverbindungen, die nur kleine Zugkräfte aufnehmen können.
Durch die Federummantelung ergibt sich hier ein sehr positiver Effekt: Radiale Fliehkräfte versuchen die Feder aufzudrehen, d. h. es entstehen zwischen den Federwindungen und dem Kleber Scherkräfte, die der Kleber im Gegensatz zu Zugkräften sehr leicht aufnehmen kann.
Permanentmagnetbestückte Rotoren können auf verschiedenen Wegen fertigungstechnisch realisiert werden. Fortschrittliche Methoden sind, Permanentmagnetringe durch Spritzguß-, Press- und Sinterprozesse herzustellen. Hierbei kann die komplette Rotorwelle 2 oder der als Hülse 3 ausgebildete Magnetträger ein Einlegeteil sein, so daß der Fügevorgang Magnetring-Rotor entfällt.
Es wird vorgeschlagen, die Schraubenfeder 51 ebenfalls als Einlegeteil zu verwenden. Somit würde der komplette Rotor 1 in einem Arbeitsgang hergestellt.
Im Gegensatz zu starren Hülsen aus Metall, Glasfaser- oder Kohlefasergeflecht entstehen keine Passungstoleranzen, da sich die (evtl. vorgespannte) Schraubenfeder 51 an die Wand des Press- oder Spritzwerkzeuges anschmiegt.
Zudem ist bei starren Hülsen, die nicht maßgenau sind, eine Deformierung und Zerstörung durch hohe Preßdrücke zu erwarten. Die Schraubenfeder 51 weicht den Preßdrücken aus, indem sie sich noch stärker an die Wandfläche des Werkzeuges anlegt.
Durch die Rillenkontur der Federhülse wird zusätzlich ein Formschluß erreicht.
Wenn die Schraubenfeder 51 als Einlegeteil in einer Spritz- oder Preßform zur Herstellung des Rotors 1 verwendet wird, gibt es bezüglich des Durchmessers der Schraubenfeder 51 als Zugfeder bzw. Druckfeder grundsätzlich zwei Methoden:

1. Federdurchmesser (entspannt) ≤ Preßformdurchmesser.
Die Schraubenfeder 51 paßt sich infolge des Einpreßdruckes der Gußmasse an die Kontur der Preßform an. Im Regelfall ist eine Aushebeschräge erforderlich (leicht konische Zylinderform).
2. Federdurchmesser ≥ Preßformdurchmesser.
Die Schraubenfeder 51 wird so vorgespannt, daß sich der Federdurchmesser verkleinert und in die Preßform eingesetzt wird.

Die Schraubenfeder 51 fügt sich an die Werkzeugform an. Auch hier ist normalerweise eine Aushebeschräge erforderlich. Die eingebrachte Vergußmasse hält die Schraubenfeder form- und stoffschlüssig fest. Nach dem Entformen werden die geringen Federkräfte zur Entspannung durch die form- und stoffschlüssigen Scherkräfte der Vergußmasse aufgenommen.
Die Einbringung der Feder gemäß der Methode 1 hat den Vorteil des problemlosen Einlegens, aber den Nachteil einer gewissen Ungenauigkeit. Schon ein geringes Spiel am Außendurchmesser kann nach Einpressen der Vergußmasse (beispielsweise magnetisches Material für die Rotorpole) dazu führen, daß der Außendurchmesser an einer Stelle des Innendurchmessers der Werkzeugform anliegt und damit eine Unwucht erzeugt.
Die Einbringung der Feder gemäß der Methode 2 erfordert einen höheren Aufwand beim Einlegen. Der größere Außendurchmesser gegenüber der Werkzeugform wird mittels Verdrehen der Feder verringert und dann in die Werkzeugform eingelegt. Dadurch liegen die Windungen der Feder mit ihrem Außendurchmesser bündig am Innendurchmesser der Werkzeugform an. Nach Einpressen der Vergußmasse und Entnahme aus dem Werkzeug ist hier eine Nachbearbeitung am Außendurchmesser des Rotors nicht mehr notwendig.

Claims

Rotor (1) mit zylindrischer Außenfläche, insbesondere für Elektromotoren, der in radialer Richtung aus einem oder mehreren Teilbereichen besteht, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, mit einem Schutzmantel (5), wobei der Schutzmantel (5) ein federndes Bauteil aufweist, welches als Schraubenfeder (51) mit Windungen (52) ausgeführt ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (51) eine Zugfeder ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (52) der Schraubenfeder (51) im entspannten Zustand aneinander liegen.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (52) der Schraubenfeder (51) im entspannten Zustand einen Abstand zueinander aufweisen.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Rotor (1) anliegende Innendurchmesser der Schraubenfeder (51) im nicht montierten, entspannten Zustand der Schraubenfeder (51) kleiner oder gleich dem Rotordurchmesser ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der am Rotor (1) anliegende Innendurchmesser der Schraubenfeder (51) im nicht montierten, entspannten Zustand der Schraubenfeder (51) größer als der Rotordurchmesser ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (51) durch einen Klebstoff auf dem Rotor (1) fixiert ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (51) aus ferromagnetischem Material besteht.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (51) aus nicht oder geringfügig magnetischem Material besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schraubenfeder (51) als Einlegeteil in einem Spritz, Sinter-, Guß- oder Preßverfahren am Rotor (1) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rotor (1), bestehend aus Welle (2), Hülse (3), Permanentmagneten (4) und Schraubenfeder (51) als Einlegeteile in eine Form gebracht werden und in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Schraubenfeder (51) im entspannten Zustand kleiner oder gleich dem Formdurchmesser ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Schraubenfeder (51) im entspannten Zustand größer als der Formdurchmesser ist und somit die Schraubenfeder (51) vorgespannt in die Form eingelegt oder eingepreßt und durch eine Vergußmasse gehalten wird.