DE102008055893A1

DE102008055893A1 - Rotor für eine schnell drehende permanenterregte elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors

Info

Publication number: DE102008055893A1
Application number: DE102008055893A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grünhagen
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine schnell drehende permanenterregte elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors. Die Aufgabe, eine neue Anordnung zur Befestigung von Permanentmagneten einer synchronerregten elektrischen Maschine unter beengten Platzverhältnissen zu finden, bei der Dauermagnete (2) einfach und dauerhaft zuverlässig gegen mechanische, insbesondere durch die Fliehkraft verursachte Krafteinwirkungen gesichert und Montageaufwände verringert werden, wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Rotor (1) einen Magnetring (12) mit weichmagnetischem Magnetträger (13) aufweist, an dessen Umfangsfläche die Magnete (2) befestigt sind, der Magnetring (12) in axialer Richtung beidseitig von nichtmagnetischen Halteringen (14) eingeschlossen ist und an der Peripherie eine die Magnete (2) teilweise überlappende und gegen radiale Fliehkräfte sichernde umlaufende Auskragung (144) aufweist und der Magnetring (12) radial und axial zwischen den Halteringen (14) fixiert ist und mindestens einer der Halteringe (14) entweder direkt oder über einen Rotorflansch (11) mit der Rotorachse (15) starr verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine schnell drehende permanenterregte elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors, insbesondere für elektrische Maschinen mit hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen.
Im Stand der Technik der permanenterregten elektrischen Maschinen mit schnell laufenden Rotoren (bei Rotordurchmessern größer 200 mm und Drehzahlen größer 2000 U/min), sind im Wesentlichen vier Maßnahmen bekannt, um die Magnete gegen die erheblichen Fliehkräfte, die beispielsweise bei Radialbeschleunigungen größer 5000 m/s² auf die Magnete wirken, zu sichern:

a) stoffschlüssige Befestigung auf dem magnetisierbaren Rotorträger mittels eines Klebers,
b) kraftschlüssige Fixierung durch eine unmagnetische äußere Bandage,
c) formschlüssige Befestigung durch „Vergraben” der Magnete in einem Blechpaket,
d) formschlüssige Befestigung durch mechanische Befestigungselemente

Die erste Methode zeigt vor allem Nachteile durch die begrenzte Haltekraft von Klebstoffen bei erhöhten Temperaturen und gleichzeitig hoher Fliehkraftbeanspruchung durch hohe Drehzahlen, die letztendlich zu einem unkontrollierbarem Abheben der Magnete und einem Sicherheitsrisiko durch Ermüdung des Klebers führen können.
Bei der zweiten Maßnahme ist eine Unzuverlässigkeit von Bandagen aus Kunstfasern oder eine zusätzliche Wirbelstromerwärmung von metallischen Bandagen zu verzeichnen und in jedem Fall eine Vergrößerung des magnetischen Spaltes zum Stator in Kauf zu nehmen.
Bei der dritten Variante führt der magnetische Rückschluss in den magnetischen Bereichen oberhalb und zwischen den Magneten zu einer Leistungs- und Wirkungsgradminderung.
Die vierte Variante weist zwar eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit auf und kommt zudem ohne einen vergrößerten magnetischen Spalt aus, vergrößert jedoch den Aufwand bei der Fertigung und Montage des Rotors, da die Magnete durch aufwendige mechanische Befestigungselemente (z. B. Titan-Keile) mit mehreren hundert Schrauben am Rotor befestigt oder die Befestigungselemente in keilförmige Nuten des Rotorträgers koaxial „eingefädelt” und aufwendig fixiert werden müssen.
Alle diese Probleme verstärken sich noch, wenn die Magnete unter beengten Platzverhältnissen befestigt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Anordnung zur Befestigung von Permanentmagneten einer synchronerregten elektrischen Maschine unter beengten Platzverhältnissen zu finden, bei der die Dauermagnete einfach und dauerhaft zuverlässig gegen mechanische, insbesondere durch die Fliehkraft verursachte Krafteinwirkungen gesichert und Montageaufwände verringert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Rotor für eine schnell drehende permanenterregte elektrische Maschine, bei dem koaxial zur Rotorachse wenigstens ein Magnetring aus wechselweise magnetisierten Permanentmagneten starr mit einer Rotorachse gekoppelt ist, dadurch gelöst, dass der Magnetring einen weichmagnetischen Magnetträger aufweist, an dessen Umfangsfläche die Magnete aufgesetzt sind, dass der Magnetring in axialer Richtung beidseitig von nichtmagnetischen Halteringen benachbart ist, wobei jeder Haltering an der Peripherie eine die Magnete teilweise überlappende umlaufende Auskragung aufweist, die die Magnete gegen radiale Fliehkräfte sichert, und dass der Magnetring radial und axial zwischen den Halteringen fixiert ist und mindestens einer der Halteringe entweder direkt oder über einen Rotorflansch mit der Rotorachse starr verbunden ist.
Vorteilhaft weist der Magnetring an den axialen Außenkanten der Magnete jeweils eine rotationssymmetrisch umlaufende Fase mit definiertem Winkel auf und die Auskragungen der Halteringe sind mit einer innenkonisch geformten Schräge unter demselben Winkel zur Überlappung der jeweiligen Fase versehen.
Alternativ kann der Magnetring auch an den axialen Außenkanten der Magnete jeweils eine rotationssymmetrische Abstufung definierter Größe aufweisen und die Auskragungen der Halteringe sind mit einem komplementär geformten Vorsprung zur Überlappung der jeweiligen Abstufung der Magnete ausgebildet.
Bei Verwendung mehrerer axial aufeinanderfolgender Magnetringe ist es zweckmäßig, zwischen zwei Magnetringen den Haltering als Zwischenring mit beidseitig peripheren Auskragungen in Form eines T-Profils auszubilden.
Die Magnete und die Halteringe sind zweckmäßig so geformt, dass sich im montierten Zustand eine formschlüssige Verbindung zwischen den Magneten und einer mindestens teilweise überlappenden umlaufenden Auskragung jedes Halteringes ergibt, so dass die Magnete gegen radiale Fliehkräfte gesichert sind.
Zwischen den umlaufenden Auskragungen der Halteringe kann vorteilhaft ein komplementär geformter umlaufender unmagnetischer Bandagenring montiert sein, um die radialen Fliehkräfte von segmentierten oder gebrochenen Magneten sicher auf die Halteringe zu übertragen.
Zweckmäßig sind die Magnete und die Halteringe so dimensioniert, dass im montierten Zustand ein schmaler Spalt zwischen den Magneten und den umlaufenden Auskragungen der Halteringe vorhanden ist, der mit einem spaltfüllenden Medium gefüllt ist, wobei die radialen Fliehkräfte von den Magneten im Wesentlichen als Druckkräfte über das spaltfüllende Medium auf die Auskragungen der Halteringe übertragen werden.
In einer besonders stabilen Ausführung sind die Magnete am Außenumfang durch biegesteife Magnetkappen vollständig umschlossen, so dass die radialen Fliehkräfte von den Magneten über die Magnetkappen auf die Auskragungen der Halteringe übertragen werden, um die radialen Fliehkräfte auch von segmentierten oder gebrochenen Magneten sicher auf die Halteringe zu übertragen. Dabei sind die Magnetkappen zweckmäßig aus unmagnetischem Material gefertigt sind.
Vorteilhaft haben die Magnetkappen radial ausgerichtete Verstärkungslaschen und können zusätzlich komplementär zu den Auskragungen der Halteringe abgeschrägte axiale Außenkanten aufweisen.
Die Fixierung der Magnetringe und der Halteringe kann durch Verkleben mit einem Klebstoff und/oder durch koaxiale Verschraubung erfolgen.
Vorteilhaft weisen die Halteringe an der Innenkante der dem Magnetring zugewandten Stirnfläche einen Zentrierungskragen auf, der in eine entsprechend geformte Ausnehmung des Magnetringes eingreift. Vorzugsweise ist der Zentrierungskragen als umlaufender Zentrierabsatz oder als umlaufender Zentrierkonus ausgebildet.
Die Halteringe für den Magnetring sind – je nach Höhe der Fliehkraftbelastung – aus einem nichtmagnetischen Metall der Gruppe Aluminium, Edelstahl oder Titan gefertigt. Sie können aber auch zweckmäßig aus einem faserverstärkten Kunststoff der Gruppe CFK, GFK, SFK oder AFK bestehen.
Zweckmäßig ist der erste Haltering in einen Rotorflansch eines topfförmigen Rotorkörpers integriert und der letzte Haltering ist ein Endring ohne direkte Verbindung zur Rotorachse.
Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors für schnell drehenden permanenterregte elektrische Maschinen mit mehreren an einer zylindrischen Oberfläche eines weichmagnetischen Magnetträgers befestigten Magneten, durch folgende Schritte gelöst:

– Herstellen eines weichmagnetischen Stahlringes als Magnetträger,
– Aufsetzen von vorgeformten Magneten aus ferromagnetischem Material auf dem Magnetträger zu einem Magnetring, mit abgeschrägten äußeren axialen Magnetkanten,
– Herstellen von nichtmagnetischen Halteringen mit an der Peripherie umlaufender Auskragung zur formschlüssigen Überlappung der abgetragenen äußeren Kanten der Magnete und
– Aufschichten und Fixieren eines Stapels aus mindestens einer Folge von Haltering, Magnetring und Haltering und Fixieren des Stapels am Rotorflansch.

Vorteilhaft werden die vorgeformten Magnete beim Aufsetzen mit einem Kleber am Magnetträger fixiert.
Es erweist sich als vorteilhaft, die Abschrägung der äußeren axialen Magnetkanten erst nach dem Aufsetzen der vorgeformten Magnete durch Abschleifen rotationssymmetisch zur Rotorachse des Magnetträgers herzustellen.
Zweckmäßig werden die Magnete unmagnetisiert auf dem Magnetträger aufgebracht und am Ende des Fertigungsprozesses durch Einbringen des fertigen Magnetringes in ein starkes Magnetfeld magnetisiert.
Die Halteringe und der mindestens eine Magnetring sind zweckmäßig durch Verkleben und/oder durch Verschrauben miteinander fixiert.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass durch Aufschichten von Stapeln aus mehreren Magnetringen, zwischen denen jeweils ein Haltering angebracht ist, beliebige mehrreihige Rotoren konfektioniert werden können.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass, sobald bei hohen Drehzahlen die Fliehkräfte zunehmen, die Magnete auf dem Rotorkörper (Magnetträger) radial nach außen beschleunigt werden. Die auftretenden Kräfte werden dabei zunächst von dem Kleber gehalten, mit dem die Magnete auf dem Magnetträger befestigt sind. Bei hohen Drehzahlen in Kombination mit hohen Temperaturen reicht diese Klebekraft aber nicht mehr sicher aus. Aus diesem Grund müssen die Magnete über zusätzliche mechanische Halterungen vor dem radialen Ablösen gesichert werden.
Bei der Erfindung werden deshalb die Magnete von beidseitig axial benachbart angeordneten Haltescheiben eingefasst. Die Haltescheiben haben die Form von koaxialen Ringscheiben, die an der Peripherie ein umlaufendes Winkelprofil aufweisen, wobei gegenüberliegende Winkelprofile die Magnete formschlüssig überlappen. Das periphere Winkelprofil der Haltescheiben kann als keilförmige Stauchung oder Verdickung des Scheibenrandes, im Sonderfall auch als L- oder T-Profil, ausgebildet sein, so dass eine radiale Bewegung der Magnete ausgeschlossen ist.
Bei sehr großen Drehzahlen können die Radialkräfte so groß werden, dass die Biegespannungen in der Mitte der Magnete die zulässige Materialfestigkeit der Magnete übersteigt. Außerdem können Magnete, die beim Transport oder bei der Montage vorgeschädigt wurden, auseinanderbrechen. Um für solche Fälle eine Schädigung des Rotors zu verhindern, ergeben sich zwei unterschiedliche Möglichkeiten.
Eine Möglichkeit besteht aus einem unmagnetischen Bandagenring am Außenumfang der Magnete. Dieser Bandagenring wird zwischen den seitlichen Haltescheiben eingespannt und überträgt so die Radialkräfte der gebrochenen Magnete auf die seitlichen Haltescheiben.
Die andere Möglichkeit besteht aus separaten unmagnetischen Magnetkappen auf der Außenseite der Magnete. Diese Kappen werden zwischen den seitlichen Haltescheiben eingespannt und übertragen so die Radialkräfte der gebrochenen Magnete auf die seitlichen Haltescheiben.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die Befestigung von Permanentmagneten einer synchronerregten elektrischen Maschine unter beengten Platzverhältnissen zu realisieren, bei der Dauermagnete mit geringem Fertigungs- und Montageaufwand dauerhaft zuverlässig gegen mechanische, insbesondere durch die Fliehkraft verursachte Krafteinwirkungen gesichert werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Rotorgestaltung,
2: einen vorgeformten Magneten, der auf den Magnetträger aufgesetzt wird,
3: einen Abschnitt des Magnetringes mit den aufgesetzten Magneten,
4: den Magnetringabschnitt mit rotationssymmetrisch gerundeten äußeren axialen Magnetkanten, entweder durch Vorformung der Magnete oder durch Abschleifen nach dem Aufsetzen erzeugt,
5: einen erfindungsgemäßen nichtmagnetischen Haltering mit keilförmig angeformter Peripherie (Endring mit L-Form),
6: einen nichtmagnetischen Haltering als Zwischenring mit beidseitig keilförmig angeformter Peripherie (T-Ring),
7: einen Magnetring mit stufenförmig eingearbeiteten axialen Magnetkanten und beidseitig klauenförmig übergreifenden Halteringen,
8: einen Magnetring mit einer zwischen zwei seitlichen Halteringen eingespannten umlaufenden Schutzbandage
9: eine Schutzkappe für die Magnete
10: einen Magnetring mit zwischen zwei seitlichen Halteringen eingespannten Schutzkappen
11: eine Gestaltung des erfindungsgemäßen Rotors mit zwei Magnetringen zwischen drei Halteringen (2-reihiger Rotor).
Die Anordnung zur Befestigung von Magneten 2 auf dem Rotor 1 einer permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschine besteht in ihrem Grundaufbau – wie in 1 gezeigt – aus einem Rotorflansch 11 und einem zwischen zwei Halteringen 14 eingeschlossenen Magnetring 12, bestehend aus ringförmigem Magnetträger 13 mit tangential gleichverteilt aufgesetzten Magneten 2, wobei Rotorflansch 11, Magnetring 12 und Halteringe 14 axial aufgeschichtet und rotationssymmetrisch zentriert starr miteinander verbunden sind.
Der Magnetträger 13 besteht aus magnetisierbarem Stahl (z. B. Weicheisen), während die Halteringe 14 aus nicht magnetischem Material (z. B. Aluminium, Edelstahl, Titan, faserverstärktem Kunststoff etc.) gefertigt sind. Einer der Halteringe 14 kann direkt im Rotorflansch 11 integriert sein, wenn dieser aus nichtmagnetischem Material besteht, so dass der eine Haltering 14 als körperliches Einzelteil entfällt, aber eine gleichartige Profilgestaltung wie der zweite Haltering 14 zum sicheren Rückhalten der Magnete 2 gegen hohe Fliehkräfte im Rotorflansch 11 vorhanden ist. In 1 sind Rotorflansch 11 und linker Haltering 14 deshalb lediglich durch eine Punkt-Strich-Punkt-Linie getrennt.
Der Magnetring 12 wird derart erzeugt, dass die Magnete 2 peripher auf dem Magnetträger 13 aufgesetzt werden. Zweckmäßig werden die Magnete 2 dabei mittels eines Klebers auf dem Magnetträger 13 dauerhaft fixiert.
Dazu sind die Magnete 2 – wie in 2 dargestellt – zweckmäßig vorgeformte Magnete 21, die eine entsprechend dem Außenumfang des Rotors 1 gerundete Oberfläche 22 und an deren axial liegenden Außenkanten eine Fase 23 aufweisen. 3 zeigt einen Ausschnitt des Magnetrings 12 mit den aufgeklebten vorgeformten Magneten 21 in einer perspektivischen Darstellung.
Anschließend wird der Magnetring 12 unter Rotationsbewegung abgeschliffen, um eine gleichmäßig umlaufende Fase 25 an den Magneten 2 des Magnetrings 12 zu erhalten, wie sie in 4 dargestellt ist. Die geschliffenen Magnete 24 können anstelle einer umlaufenden Fase 25 alternativ einen stufenförmigen Absatz eingeschliffen bekommen, wie sie beispielsweise aus 7 zu ersehen ist. Beliebige andere Formen der Magnetprofile sind in komplementärer Ausbildung zur Peripheriegestaltung der Halteringe 14 einsetzbar, solange eine sichere formschlüssige Überlappung der Außenkante der Magnete 2 durch eine periphere Auskragung der Halteringe 14 erreicht wird. Um die Fertigungskosten zu reduzieren, kann bei geringeren Anforderungen auf das Anschleifen einer gleichmäßigen umlaufenden Fase 25 verzichtet werden und der sich ergebende Spalt zwischen den Fasen des vorgeformten Magneten 21 und den Haltekonussen 144 der Halteringe 14 mit einem spaltfüllenden Medium 4 ausgefüllt werden.
Verschiedene Ausbildungen der Halteringe 14 sind in den 5–7 dargestellt.
Dabei zeigt 5 einen Axialschnitt durch einen Haltering 14, der als Endring 143 den axialen Abschluss des Rotors 1 bilden soll. Er weist an seiner Peripherie umlaufend einen Haltekonus 144 auf, der auf die umlaufende Fase 25 des Magnetringes 12 aufgeschoben wird und somit die Magnete 24 übergreift und in radialer Richtung sichert. Eine spiegelsymmetrisch zum Endring 143 angeordnete Form bildet einen komplementären Haltering 14, der die gegenüberliegende Halterung des Magnetringes 12 gewährleistet und der vorzugsweise direkt in den Rotorflansch 11 abgeformt integriert ist.
Zur exakten koaxialen Ausrichtung von Rotorflansch 11, Magnetring 12 und Halteringen 14, weisen letztere einen inneren Zentrierabsatz 145 auf, der ein einfaches Aufstecken und eine starre Verbindung aller vorgenannten Rotorteile gestattet.
Ferner zeigt 5 im Endring 143 eine Bohrung 147, die mehrfach in Haltering 14 und Magnetträger 13 konzentrisch gleichverteilt um die Rotorachse 15 vorhanden ist und Verschraubungen der Magnetringe 12 und Halteringe 14 mit dem Rotorflansch 11 gestattet, wie man aus 7 und 11 entnehmen kann.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Halteringes 14, der als Zwischenring 142 ausgebildet ist, um zwischen zwei nebeneinander liegenden Magnetringen 12 die Rückhaltefunktion für die Magnete 2 zu übernehmen. Der Zwischenring 142 ist als T-Ring-Profil ausgebildet und weist zwei peripher umlaufende Haltekonusse 144 auf. Entsprechend ist er auch beidseitig mit einer in diesem Beispiel als Zentrierkonus 146 ausgeformten Zentrierung versehen. Ebenso ist der Zwischenring 142, wie für den Endring 143 beschrieben, mit Bohrungen 147 versehen, die ein zusätzliches Verschrauben gestatten.
In 7 sind die geschliffenen Magnete 24 mit stufenförmig abgeschliffenen Außenkanten versehen. Die Halteringe 14, die in Form von Endringen 143 gezeichnet sind, weisen deshalb ein umlaufendes L-Profil 148 auf, das der Stufenform der Magnete 24 angepasst ist.
Ein spaltfüllendes Medium 4, das ein geeigneter Klebstoff mit nicht allzu anspruchsvoller Zug- und Scherfestigkeit sein kann, stellt die starre Verbindung zwischen dem Flanschring 141, dem Magnetring 12 und dem Endring 143 her, dessen geschliffene Magnete 24 zuvor mit einem Kleber 3 auf dem Magnetträger 13 fixiert wurden. Zusätzlich werden die Halteringe 141 durch konzentrisch um die Rotorachse 15 gleichverteilte Schrauben 16 kraftschlüssig fixiert.
8 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Rotor 1 mit einem unmagnetischen Bandagenring 17. Der Bandagenring 17 wird über die gerundete äußere Oberfläche der Magnete 2 geschoben. Die beidseitig umlaufenden Außenkanten des Bandagenringes 17 weisen eine zum Haltekonus 144 der Halteringe 14 komplementäre Form auf und ermöglichen so eine formschlüssige Verbindung zwischen Bandagenring 17 und Halteringen 14. Die Bandagenringe 17 können vorzugsweise aus zu einem Ring verschweißten Edelstahlblech gefertigt werden. Alternativ können die Bandagenringe 17 auch aus Titanblechen oder faserverstärktem Kunststoff (z. B. CFK, GFK oder AFK) gefertigt werden.
9 zeigt eine Magnetkappe 27, die in 10 im als Axialschnitt dargestellten Rotor 1 in eingebautem Zustand zu sehen ist.
Die Magnetkappe 27 umschließt und schützt den Magneten 2 an der gerundeten äußeren Oberfläche 22. Zur Erhöhung der Biegefestigkeit befinden sich an den radialen Außenkanten der Magnetkappe 27 seitliche Verstärkungslaschen 271. Die beiden axialen Außenkanten 272 weisen eine zum Haltekonus 144 der Halteringe 14 komplementäre Ausbildung auf und ermöglichen so eine formschlüssige Verbindung zwischen Magnet 2, Magnetkappe 27 und den Halteringen 14. Die Magnetkappen 27 können je nach Material als Präge- oder Stanzteil, als Tiefziehteil oder als Gussteil (vorzugsweise Feinguss) hergestellt werden. Je nach auftretender Radialbelastung können die Magnetkappen 27 aus Aluminium, Edelstahl, Titan oder faserverstärktem Kunststoff gefertigt werden.
11 zeigt einen zweireihigen Rotor 1 bestehend aus zwei Magnetringen 12, die zwischen einem am Rotorflansch 11 integrierten Flanschring 141, einem Zwischenring 142 und dem Zwischenring 142 und einem Endring 143 angeordnet sind. Alle genannten Bauteile werden über Schrauben 16 und/oder geeigneten Klebstoff 3 miteinander zu einem Rotor 1 verbunden.
Im Einzelnen sind bei der Rotormontage folgende Fertigungsschritte auszuführen.
Die vorgeformten Magnete 21 (2) werden mittels eines geeigneten Klebers 3 auf einem magnetischen Magnetträger 13 aufgeklebt (3). Der Magnetträger 13, der üblicherweise als magnetisierbarer Stahlring ausgebildet ist, sollte zur einfacheren Montage der Magnete 2 außen Abflachungen entsprechend der Magnetgröße und -anzahl aufweisen. Bei Bedarf können die vorgeformten Magnete 21 abgeschliffen werden und an beiden axial liegenden Außenkanten eine gleichmäßig umlaufende Fase 25 mit definiertem Winkel oder eine Stufe erhalten, so dass ein Magnetring 12 mit einem rotationssymmetrisch abgetragenem Rand aller Magnetoberflächen entsteht (4).
Ein derartig vorbereiteter Magnetring 12 wird dann zwischen zwei nichtmagnetischen Halteringen 14 montiert. Dabei kann ein Haltering 14 mit entsprechender Kontur in einen nichtmagnetischen Rotorflansch 11 integriert werden (1 und 11) und der zweite Haltering 14 als nichtmagnetischer Endring 143 (5) ausgebildet sein.
Die gegenüberliegenden Profile beider Halteringe 14, sowohl die des Flanschringes 141 als auch des Endringes 143, weisen Schrägen 144 oder L-Profile 148 auf, die die Magnete 2 formschlüssig übergreifen.
Durch eine geeignete Dimensionierung der einzelnen Teile des Magnetringes 12 und der Halteringe 14 ergibt sich ein schmaler Spalt 28 zwischen den Magneten 2 und dem Endring 143 bzw. dem am Rotorflansch 11 integrierten Flanschring 141. Dieser Spalt 28 kann bei der Montage sehr einfach mit einem geeigneten Klebstoff als spaltfüllendes Medium 4 verschlossen werden. Nach dem Aushärten des spaltfüllendes Mediums 4 sind alle Teile bleibend miteinander verbunden und bilden einen stabilen Rotor 1.
Zur Erhöhung der Stabilität können Magnetring 12 und Haltering(e) 14 zusätzlich mittels Schrauben 16 oder Stiften (nicht gezeichnet) miteinander verbunden und am Rotorflansch fixiert werden.
Alternativ kann die Geometrie der Ringe, Magnetring 12 und Haltering(e) 14, auch so ausgelegt werden, dass die Magnete 2 exakt so geschliffen werden, dass es zu einer exakten Überdeckung der Magnetschrägen mit den Haltekonussen 144 der Halteringe 14 kommt. Durch das axiale Verspannen der Halteringe 14 mit dem Magnetring 12 werden die Magnete 2 auch ohne spaltfüllendes Medium 4 zwischen den Halteringen 14 fest eingeklemmt und radiale Bewegungen der Magnete 2 sicher verhindert.
Über geeignete Zentrierungen, wie beispielhaft – jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit – als Zentrierabsatz 145 und Zentrierkonus 146 angegeben, wird die Konzentrizität und Stabilität der einzelnen Ringe, Magnetring 12 und Haltering(e) 14, zueinander gewährleistet. Außerdem werden über die Zentrierwülste 145 an den Halteringen 14 auch die auftretenden Fliehkräfte auf den stabilen Stahlring des Magnetträgers 13 übertragen.
Zum Schutz vor äußeren Beschädigungen kann der gesamte Magnetring 12 mit einer dünnwandigen (ca. 0,5 mm bis 1 mm), gewickelten Schutzbandage (nicht gezeichnet) versehen werden. Als Material für die Schutzbandage können Kunststoffe, verstärkt mit Glasfasern (GFK), Kohlefasern (CFK) oder Synthesefasern (SFK), vorzugsweise Aramidfasern (AFK), verwendet werden. Diese Schutzbandage schützt die Magnete 2 vor mechanischen Beschädigungen von außen. Außerdem verhindert sie, dass Magnetpartikel und kleinere Magnetausbrüche nach außen abfliegen können, falls keine Magnetkappen 27 verwendet werden. Eine derartige dünne Schutzbandage allein ist aber nicht in der Lage, zerbrochene Magnete 2 bei hohen Drehzahlen auf dem Magnetträger 13 zu fixieren.
Um auch gebrochene Magnete 2 und größere Magnetsegmente (nicht dargestellt) bei hohen Drehzahlen auf dem Rotor 1 zu fixieren, besteht die Möglichkeit, zusätzlich einem unmagnetischen Bandagenring 17 am Außenumfang der Magnete 2 anzubringen. Dieser Bandagenring 17 wird formschlüssig zwischen den seitlichen Halteringen 14 eingespannt und überträgt so die Radialkräfte von gebrochenen Magneten 2 auf die seitlichen Halteringe 14.
Alternativ besteht die Möglichkeit, wie bereits oben erwähnt, separate Magnetkappen 27 am Außenumfang der Magnete 2 einzusetzen. Diese Magnetkappen 27 werden zwischen den Halteringen 14 eingespannt und übertragen so die Radialkräfte eines gebrochenen Magnets 2 auf die Halteringe 14. Die Magnetkappe 27 umschließt und schützt den einzelnen Magneten 2 auf der gerundeten äußeren Oberfläche 22. Zur Erhöhung der Biegefestigkeit hat die Magnetkappe 27 an ihren radialen Außenkanten seitliche Verstärkungslaschen 271.
Die Breite der Magnetringe 12 ist durch die Festigkeit der verwendeten Materialien begrenzt. Je nach Rotordrehzahl und Dicke der Magnete 2 sind Breiten der Magnetringe 12 von 30 mm bis 80 mm realisierbar.
Wird ein Rotor 1 mit einer größeren axialen Breite der Magnete 2 benötigt, so kann der Rotor 1 zweireihig aufgebaut werden, wie es 11 zeigt. Dazu werden drei Halteringe 14 verwendet, wobei ein Zwischenring 142 als T-Ring – wie in 6 gezeigt – zwischen zwei Magnetringen 12 eingesetzt wird. Der Zwischenring 142 zwischen den Magnetringen 12, der wie der Endring 143 eine schmale unmagnetische Ringscheibe ist, weist an der Scheibenperipherie beidseitig Schrägen 144 in Form eines Innenkonus auf. Durch die Aneinanderreihung von beliebig vielen Magnetringen 12 und zwischengeordneten Zwischenringen 142 kann aus Standardkomponenten sehr einfach und kostengünstig ein kundenspezifischer Rotor 1 mit gewünschter Magnetpaketgröße konfektioniert werden.
Aufgrund der geringen Breite der einzelnen Magnetringe 12 besteht außerdem die Möglichkeit, die Magnete 2 zunächst unmagnetisiert auf den Magnetträger 13 aufzukleben und zu schleifen und erst anschließend im starken Magnetfeld zu magnetisieren. Dies erleichtert den Montagevorgang und senkt die Kosten.
Die Vorteile gegenüber den bislang angewendeten Magnetbefestigungen sind:

– einfache und gut handhabbare Bauteile (Magnete 2 z. B. als Blockmagnete auf ring- oder topfförmigem Magnetträger 13 vormontiert, Halteringe 14 als Drehteile),
– Herstellung der Magnetringe 12 und Halteringe 14 als einfache Drehteile
– einfaches Verkleben der Magnet- und Halteringe 12 bzw. 14 möglich (durch axiales Aufsetzen, kein Tränkvorgang für spaltfüllendes Medium 4 erforderlich)
– einfache sicherheitssteigernde Schraubverbindung (Rotorflansch 11, Magnetringe 12 und Halteringe 14)
– durch die Verwendung von einzelnen schmalen Magnetringen 12 ist ein nachträgliches Aufmagnetisieren einfacher möglich und
– kostengünstige individuelle Rotorkonfektionierung nach Kundenbedarf durch modulares Aufbaukonzept.

Insgesamt ergeben sich für den erfindungsgemäßen Rotoraufbau erheblich geringere Herstellkosten als bei allen bisher verfügbaren Rotortypen für hohe Drehzahlen.

1: Rotor
11: Rotorflansch
12: Magnetring
13: Magnetträger
14: Haltering
141: Flanschring
142: Zwischenring
143: Endring
144: Haltekonus
145: Zentrierabsatz
146: Zentrierkonus
147: Bohrung
148: L-Profil
15: Rotorachse
16: Schraube
17: Bandagenring
2: Magnet
21: vorgeformter Magnet
22: gerundete Oberfläche
23: Fase
24: geschliffener Magnet
25: umlaufende Fase
26: umlaufender Absatz
27: Magnetkappe
271: seitliche Verstärkungslaschen
272: axiale Außenkanten
28: Spalt
3: Kleber
4: spaltfüllendes Medium

Claims

Rotor für eine schnell drehende permanenterregte elektrische Maschine, bei dem koaxial zur Rotorachse (15) wenigstens ein Magnetring (12) aus wechselweise magnetisierten Permanentmagneten (2) starr mit einer Rotorachse (15) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Magnetring (12) einen weichmagnetischen Magnetträger (13) aufweist, an dessen Umfangsfläche die Magnete (2) aufgesetzt sind, – der Magnetring (12) in axialer Richtung beidseitig von nichtmagnetischen Halteringen (14) benachbart ist, wobei jeder Haltering (14) an der Peripherie eine die Magnete (2) teilweise überlappende umlaufende Auskragung (144) aufweist, die die Magnete (2) gegen radiale Fliehkräfte sichert, und – der Magnetring (12) radial und axial zwischen den Halteringen (14) fixiert ist und mindestens einer der Halteringe (14) entweder direkt oder über einen Rotorflansch (11) mit der Rotorachse (15) starr verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (12) an den axialen Außenkanten der Magnete (2) jeweils eine rotationssymmetrisch umlaufende Fase (23) mit definiertem Winkel aufweist und die Auskragungen (144) der Halteringe (14) mit einer innenkonisch geformten Schräge unter demselben Winkel zur Überlappung der jeweiligen Fase (23) versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (12) an den axialen Außenkanten der Magnete (2) jeweils eine rotationssymmetrische Abstufung definierter Größe aufweist und die Auskragungen (144) der Halteringe (14) mit einem komplementär geformten Vorsprung zur Überlappung der jeweiligen Abstufung der Magnete (2) versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mehrerer axial aufeinanderfolgender Magnetringe (12) zwischen zwei Magnetringen (12) der Haltering (14) als Zwischenring (142) mit beidseitig peripheren Auskragungen (144) in Form eines T-Profils ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (2) und die Halteringe (14) so geformt sind, dass sich im montierten Zustand eine formschlüssige Verbindung zwischen den Magneten (2) und einer mindestens teilweise überlappenden umlaufenden Auskragung (144) jedes Halteringes (14) ergibt, so dass die Magnete (2) gegen radiale Fliehkräfte gesichert sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den umlaufenden Auskragungen (144) der Halteringe (14) ein komplementär geformter umlaufender unmagnetischer Bandagenring (17) montiert ist, um die radialen Fliehkräfte von segmentierten oder gebrochenen Magneten (2) sicher auf die Halteringe (2) zu übertragen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (2) und die Halteringe (14) so dimensioniert sind, dass im montierten Zustand ein schmaler Spalt (28) zwischen den Magneten (2) und den umlaufenden Auskragungen (144) der Halteringe (14) vorhanden ist, der mit einem spaltfüllenden Medium (4) komplett gefüllt ist, wobei die radialen Fliehkräfte von den Magneten (2) im Wesentlichen als Druckkräfte über das spaltfüllende Medium (4) auf die Auskragungen (144) der Halteringe (14) übertragen werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (2) am Außenumfang durch biegesteife Magnetkappen (27) vollständig umschlossen sind, so dass die radialen Fliehkräfte von den Magneten (2) über die Magnetkappen (27) auf die Auskragungen (144) der Halteringe (14) übertragen werden, um die radialen Fliehkräfte auch von segmentierten oder gebrochenen Magneten (2) sicher auf die Halteringe (14) zu übertragen.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkappen (27) aus unmagnetischem Material gefertigt sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkappen (27) radial ausgerichtete Verstärkungslaschen (271) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkappen (27) komplementär zu den Auskragungen (144) der Halteringe (14) abgeschrägte axiale Außenkanten (272) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der Magnetringe (12) und der Halteringe (14) durch Verkleben mit einem Kleber (3) erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringe (12) und die Halteringe (14) durch koaxiale Verschraubung (16) fixiert sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringe (12) und die Halteringe (14) durch Verkleben und zusätzliche koaxiale Verschraubung (16) fixiert sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (14) an der Innenkante der dem Magnetring (12) zugewandten Stirnfläche einen Zentrierungskragen (145, 146) aufweisen, der in eine komplementär geformte Ausnehmung des Magnetträgers (13) eingreift.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungskragen als umlaufende Zentrierabsatz (145) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungskragen als umlaufender Zentrierkonus (146) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (14) je nach radialer Fliehkraftbelastung aus einem Material der Gruppe Aluminium, Edelstahl oder Titan gefertigt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (14) aus einem faserverstärkten Kunststoff aus der Gruppe CFK, GFK, SEK oder AFK gefertigt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Haltering (141) in einen Rotorflansch (11) eines topfförmigen Rotors (1) integriert ist und ein letzter Haltering (14) als Endring (143) ohne direkte Verbindung zur Rotorachse (15) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für schnell drehenden permanenterregte elektrische Maschinen mit mehreren an einer zylindrischen Oberfläche eines weichmagnetischen Magnetträgers (13) befestigten Permanentmagneten (2), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Herstellen eines weichmagnetischen Stahlringes als Magnetträger (13), – Aufsetzen von vorgeformten Magneten (2) aus ferromagnetischem Material auf dem Magnetträger (13) zu einem Magnetring (12), mit abgeschrägten äußeren axialen Magnetkanten, – Herstellen von nichtmagnetischen Halteringen (14) mit an der Peripherie umlaufender Auskragung (144) zur formschlüssigen Überlappung der abgetragenen äußeren Kanten der Magnete (2) und – Aufschichten und Fixieren eines Stapels aus mindestens einer Folge von Haltering (14), Magnetring (12), und Haltering (14) und Fixieren am Rotorflansch.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufsetzen der vorgeformten Magnete (2) eine Fixierung mit einem Kleber (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsetzen der vorgeformten Magnete (2) die abgeschrägten äußeren axialen Magnetkanten rotationssymmetisch zur Rotorachse (15) des Magnetträgers (13) abgeschliffen werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (2) unmagnetisiert auf dem Magnetträger (13) aufgebracht werden und am Ende des Fertigungsprozesses durch Einbringen des fertigen Magnetringes (12) in ein starkes Magnetfeld magnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (14) und der mindestens eine Magnetring (12) durch Verkleben zueinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (14) und der mindestens eine Magnetring (12) durch Verschrauben fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe und der mindestens eine Magnetring durch zusätzliches koaxiales Verschrauben fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufschichten von Stapeln aus mehreren Magnetringen (12), zwischen denen jeweils ein Zwischenring (142) als Haltering (14) angebracht ist, beliebige mehrreihige Rotoren (1) konfektioniert werden.