DE102014226047A1

DE102014226047A1 - Speichenrotor mit Umspritzung

Info

Publication number: DE102014226047A1
Application number: DE102014226047.7A
Authority: DE
Inventors: Ferenc Simon; Kevin Gutmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105703504A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Speichenrotor für eine elektrische Maschine, mit einem Polring und mit einer im Polring angeordneten Welle, die sich konzentrisch um eine Achse erstrecken und voneinander beabstandet sind, wobei der Polring eine Vielzahl von Sektoren aufweist, zwischen denen Dauermagnete angeordnet sind, und wobei zwischen der Welle und dem Polring ein Befestigungsmittel vorgesehen ist, das aus einer ausgehärteten Masse gebildet ist, wobei • das Befestigungsmittel zumindest teilweise speichenförmig ausgebildet ist, mit Speichen, die sich in eine radiale Richtung zur Achse erstrecken, und/oder • der Polring vollumfänglich vom Befestigungsmittel umgeben ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit einem solchen Speichenrotor, sowie einen Verstellantrieb und eine Handwerkzeugmaschine mit einer solchen elektrischen Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Speichenrotors.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Speichenrotor für eine elektrische Maschine mit einem Polring und einer Welle, zwischen denen ein Befestigungsmittel aus einer ausgehärteten Masse angeordnet ist, die elektrische Maschine mit dem Speichenrotor, sowie einen Verstellantrieb und eine Handwerkzeugmaschine mit einer solchen elektrischen Maschine.
Gebräuchliche permanenterregte elektrische Maschinen weisen häufig einen Speichenrotore mit Dauermagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes auf. Die Dauermagnete sind zumeist quaderförmig ausgebildet, erstrecken sich in Längsrichtung des Rotors, und werden in tangentialer Richtung magnetisiert.
Ein bekanntes Problem solcher Speichenrotoren ist die Positionierung und Befestigung der Dauermagneten. Aufgrund von Herstellungstoleranzen und zum Fügen der Dauermagnete in ihre Aufnahme müssen die Ausmaße der Aufnahmen größer als die Außenmaße der Dauermagnete sein. Die Differenz beträgt typischerweise mehrere Zehntel Millimeter, häufig etwa 0,2mm. Damit die Dauermagnete während der Lebensdauer der elektrischen Maschine Vibrationen oder anderen mechanischen Belastungen standhalten, die beispielsweise bei Richtungswechseln während des Betriebs der Maschine oder ähnlich auftreten, müssen sie dauerhaft in ihrer Position fixiert sein.
Zum Fixieren der Dauermagnete ist eine Vielzahl von Methoden bekannt. Beispielsweise werden die Dauermagnete in ihre Aufnahme eingeklebt, oder es werden Federelemente eingesetzt, die die Dauermagnete entweder radial nach außen oder radial nach innen drücken.
Bekannt ist es auch, die Dauermagnete durch Einspritzen oder Eingießen eines Thermoplastes, eines Duromers oder eines anderen Kunststoffs in ihrer Aufnahme zu befestigen. Vorteilhaft an dieser Methode ist es, dass die Dauermagnete quasi kraftfrei in ihre Aussparung eingefügt werden können.
Die Druckschrift DE 10 2010 061 778 A1 offenbart einen Speichenrotor für eine elektrische Maschine, bei dem zwischen der Rotorwelle und dem Grundkörper des Rotors, in dem die Dauermagnete angeordnet sind, eine Verbindungshülse vorgesehen ist. Die Verbindungshülse ist aus einem diamagnetischen Werkstoff und/oder einem paramagnetischen Werkstoff mit einer Permeabilitätszahl kleiner als 20 gebildet, insbesondere aus Aluminium oder einem Kunststoff. Sie kann als vorgefertigte Hülse zwischen den Grundkörper und die Rotorwelle gefügt werden, oder aus einer aushärtbaren Masse gebildet und zwischen die Rotorwelle und den Grundkörper eingespritzt oder eingegossen sein. Die Verbindungshülse leitet das Magnetfeld im Speichenrotor nur mäßig oder verdrängt es sogar, so dass an der Wellen-zugewandten Seite des Grundkörpers (nahezu) keine Streuflüsse entstehen.
Jedoch schrumpft die aushärtbare Masse beim Aushärten. Bei einem Speichenrotor, bei dem die Verbindungshülse aus einer aushärtbaren Masse gebildet, und zwischen dem Grundkörper und der Rotorwelle eingespritzt oder eingegossen ist, hat sich gezeigt, dass sich die Konzentrizität und Stabilität des Speichenrotors mit steigendem Abstand des Grundkörpers von der Rotorwelle verschlechtert.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen Speichenrotor so zu verbessern, dass er auch bei großem Abstand zwischen dem Grundkörper und der Rotorwelle eine sehr gute Konzentrizität und Stabilität aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsdichte des Speichenrotors und seinen Wirkungsgrad weiter zu verbessern, wobei der Speichenrotor dennoch kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Speichenrotor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, einer elektrischen Maschine gemäß dem unabhängigen Anspruch 14, einem Verstellantrieb gemäß dem unabhängigen Anspruch 15 und einer Handwerkzeugmaschine gemäß dem unabhängigen Anspruch 16. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Dafür wird ein Speichenrotor für eine elektrische Maschine geschaffen, der einen Polring und eine im Polring angeordneten Welle aufweist, die sich konzentrisch um eine Achse erstrecken und voneinander beabstandet sind. Der Polring weist eine Vielzahl von Sektoren auf, zwischen denen Dauermagnete angeordnet sind. Zwischen der Welle und dem Polring ist ein Befestigungsmittel vorgesehen, das aus einer ersten ausgehärteten Masse gebildet ist.
Der Speichenrotor zeichnet sich dadurch aus, dass das Befestigungsmittel zumindest teilweise speichenartig ausgebildet ist, wobei sich die Speichen in eine radiale Richtung oder im Wesentlichen in die radiale Richtung zur Achse erstrecken, und/oder dadurch, dass der Polring vollumfänglich vom Befestigungsmittel umgeben ist.
Es hat sich gezeigt, dass die speichenartige Struktur des Befestigungsmittels und/oder das vollumfängliche Umspritzen des Polrings nicht nur eine sehr gute Konzentrizität des Speichenrotors, sondern zudem eine ausreichende Stabilität des Speichenrotors, auch bei hoher Drehzahl, gewährleistet. Aufgrund der einfachen Struktur der Sektoren ist die Toleranzkette bei der Herstellung des Speichenrotors sehr klein. Die Geräuschentwicklung im Betrieb des Rotors ist dadurch sehr gering. Zudem ermöglicht ein solcher Speichenrotor einen sehr kleinen Luftspalt zwischen dem Speichenrotor und einem Stator der elektrischen Maschine. Bei vollflächig ummanteltem Polring gewährleistet das Befestigungsmittel zudem einen Korrosionsschutz für die Dauermagnete beziehungsweise den Polring.
Die Sektoren sind zum Leiten des magnetischen Flusses vorgesehen und bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, insbesondere aus einem Rotorblech. Vorzugsweise sind sie als Lamellenpaket aus einer Vielzahl von in axialer Richtung insbesondere durch Stanzpaketierung miteinander verbundenen Lamellen gefertigt. Aufgrund ihrer sehr einfachen Form sind die Sektoren mit sehr geringem Verschnitt als Stanzteile kostengünstig herstellbar. Bevorzugt ist aber auch die Herstellung der Sektoren aus einem Vollkörper. Auch in dieser Ausführungsform ist ihre Herstellung aufgrund der sehr einfachen Form kostengünstig möglich.
Vorzugsweise werden herkömmliche, insbesondere quaderförmige, Dauermagnete verwendet. Neben solchen quaderförmigen Dauermagneten ist aber auch die Verwendung von Dauermagneten anderen Querschnitts bevorzugt.
Die erste ausgehärtete Masse für das Befestigungsmittel ist bevorzugt nicht oder nahezu nicht magnetisch leitend vorgesehen, um Streuverluste an der wellenzugewandten Seite des Polrings zu vermeiden. Sie ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, einem kunststoffgebundenen, insbesondere diamagnetischen, Metall, oder einem, insbesondere diamagnetischen, Metall gebildet. Für den Kunststoff ist ein Duroplast bevorzugt. Als Metall oder kunststoffgebundenes Metall ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Es ist aber auch die Verwendung anderer Kunststoffe, beispielsweise formstabiler Thermoplaste, bevorzugt.
Das Befestigungsmittel ist zur Befestigung und Positionierung der Dauermagnete im Polring, zur Positionierung des Polrings konzentrisch um die Welle, und zur Verbindung des Polrings mit der Welle vorgesehen. Es gewährleistet die Momentenübertragung von der Welle zum Polring.
Um die Befestigung und Positionierung der Dauermagnete im Polring zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass sich das Befestigungsmittel vollflächig über eine der Welle zugewandte Innenseite des Polrings erstreckt. Das Befestigungsmittel ist an der Innenseite des Polrings daher bevorzugt ringförmig ausgebildet. Im Folgenden wird der an der Innenseite des Polrings angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels als Außenring des Befestigungsmittels bezeichnet.
Weiterhin bevorzugt ist die erste ausgehärtete Masse elastisch oder elastisch-plastisch ausgebildet, damit die Dauermagnete auch unter Vibrationsbelastung im Betrieb des Rotors ausreichend fixiert sind. Durch ihre Elastizität und/oder Plastizität ist das Befestigungsmittel gegen eine Rückstellkraft verformbar, so dass es ein Federverhalten und/oder mechanisches Klemmverhalten aufweist. Dadurch ist der Dauermagnet im Betrieb der elektrischen Maschine in seiner Aufnahme verspannt. Zudem werden Bauteiltoleranzen und das Temperaturverhalten des Dauermagneten über die Bandbreite der auftretenden Temperaturen dadurch ausgeglichen.
Im Folgenden wird ein Material als elastisch oder elastisch-plastisch bezeichnet, dass sich entweder elastisch verhält und daher reversibel verformbar ist, oder dass sich elastisch und plastisch verhält und daher nach einem plastischen Verformen immer noch eine ausreichende Elastizität aufweist, um das erforderliche Federverhalten und/oder mechanische Klemmverhalten zum Verspannen des Dauermagneten im Betrieb der elektrischen Maschine zu gewährleisten.
Die Speichen des Befestigungsmittels sind bevorzugt in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sie sich in radialer Richtung. Es ist aber besonders bevorzugt, dass sie gegenüber der radialen Richtung geringfügig schräg angeordnet sind. In dieser Ausführungsform weisen sie einen spitzen Winkel zur radialen Richtung auf, beispielsweise einen Winkel von etwa 1–20°. Der Winkel ist anwendungsspezifisch und beispielsweise von der Motorgröße abhängig. Dadurch werden die Sektoren in etwa diesem Winkel zur Welle gezogen. Dabei wird ein Luftspalt jeweils zwischen den Sektoren und den ihnen benachbarten Dauermagneten verringert, was zu verringerten Flussverlusten führt.
Zum Befestigen des Polrings an der Welle ist es bevorzugt, dass an den Sektoren Formschlussmittel vorgesehen sind. Die Formschlussmittel sind zur Aufnahme der ersten aushärtbaren Masse vorgesehen. Bevorzugt sind sie als Ausnehmungen oder als Nuten ausgebildet. Vorzugsweise weisen sie eine Schwalbenschwanzform auf. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall ist es besonders bevorzugt, dass sie unsymmetrisch ausgebildet sind. Auch dies führt zu einer Verringerung des Luftspaltes jeweils zwischen den Sektoren und den ihnen benachbarten Dauermagneten, und daher zu verringerten Flussverlusten.
Zum Befestigen der Welle ist es bevorzugt, dass die Welle zweite Formschlussmittel aufweist, insbesondere eine Rändelung. Vorzugsweise ist auch die Welle vollflächig vom Befestigungsmittel umgeben. Daher ist es weiterhin bevorzugt, dass das Befestigungsmittel an der dem Polring zugewandten Außenseite der Welle ringförmig ausgebildet ist. Im Folgenden wird der an der Außenseite der Welle angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels als Innenring des Befestigungsmittels bezeichnet.
Die Speichen erstrecken sich bevorzugt zwischen dem Innenring des Befestigungsmittels und dem Außenring des Befestigungsmittels. Vorzugsweise sind zwischen den Speichen Aufnahmen angeordnet.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die Aufnahmen leer. In dieser Ausführungsform ist der Speichenrotor sehr leicht. Er weist daher sehr gute dynamische Eigenschaften auf und verbraucht wenig Energie. Zum Einen sind die Wärmeverluste der elektrischen Maschine daher sehr gering. Zum Anderen ermöglicht der geringe Energieverbrauch eine Verkleinerung der Länge des Rotors beziehungsweise der elektrischen Maschine in axialer Richtung. Eine elektrische Maschine mit kleinerer axialer Länge ist kostengünstiger herstellbar.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist in den Aufnahmen eine zweite ausgehärtete Masse angeordnet. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die zweite ausgehärtete Masse ein geringeres Gewicht als die erste ausgehärtete Masse aufweist, und/oder dass sie sich beim Aushärten ausdehnt. Durch die Ausdehnung beim Aushärten werden die Dauermagnete in ihre zwischen den Sektoren angeordnete Tasche gedrückt. Zudem sind Vibrationen und Schwingungen in Abhängigkeit von der Dämpfungsfähigkeit der gewählten ausgehärteten Masse verringerbar.
Als zweite ausgehärtete Masse ist aber auch die Verwendung der ersten ausgehärteten Masse bevorzugt, wobei die zweite ausgehärtete Masse nach dem Aushärten der ersten ausgehärteten Masse in die Aufnahme eingeführt, insbesondere eingefüllt, wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Speichenrotor an in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden Stirnflächen aufweist, wobei sich das Befestigungsmittel im Wesentlichen vollflächig entlang der Stirnflächen erstreckt. Die Stirnflächen begrenzen ein Verschieben der Dauermagnete in axialer Richtung.
Um das Entnehmen des Speichenrotors aus einem Spritzgusswerkzeug zu vereinfachen, ist es zudem bevorzugt, dass die Welle eine Wellenschulter aufweist. Die Welle weist im Bereich der Wellenschulter einen größeren Durchmesser auf. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt entweder bündig zur Wellenschulter angeordnet, oder es erstreckt sich in axialer Richtung über die Wellenschulter hinaus.
Damit die Dauermagnete immer an derselben Seite der ihnen benachbarten Sektoren angeordnet sind, ist es bevorzugt, dass an einer ersten Seite jedes Dauermagneten ein Spaltfüller zwischen dem Dauermagneten und dem dieser Seite benachbarten Sektor angeordnet ist. Dadurch wird die Momentenwelligkeit des Speichenrotors verringert. Zudem kompensiert der Spaltfüller Herstellungstoleranzen der Sektoren und der Dauermagnete im Umspritzwerkzeug, und ermöglicht mit seinem elastischen oder elastisch-plastischen Verhalten ihre genaue Positionierung und Umspritzung.
An einer der ersten Seite jedes Dauermagneten gegenüberliegenden zweiten Seite ist bevorzugt ein elastisches oder elastisch-plastisches Füllmittel vorgesehen, insbesondere eine dünne Kunststoffschicht oder Gummischicht. Das Füllmittel ist bevorzugt angeklebt oder angespritzt. Besonders bevorzugt verhärtet es sich bei hoher Temperatur.
An einer wellenabgewandten Außenseite des umspritzten oder nicht umspritzten Polrings ist bevorzugt eine Hülse angeordnet. Die Hülse stabilisiert den Speichenrotor, insbesondere den Polring, bei sehr hohen Drehzahlen gegen Fliehkräfte. Sie ist bevorzugt aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder einem Metall, insbesondere Aluminium, gebildet. Besonders bevorzugt ist sie als, insbesondere aufschrumpfbare, Kunststofffolie ausgebildet. Sie kann aber auch an den Polring angespritzt sein.
Bei vollumfänglich umspritztem Polring ist das Befestigungsmittel an einer der Welle abgewandten Außenseite des Polrings ringförmig ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird der an der Außenseite des Polrings angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels im Folgenden als Außenmantel des Befestigungsmittels bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass die wellenabgewandte Außenseite des vollumfänglich umspritzten Polrings, d. h. der Außenmantel des Polrings, entweder rund oder wellig ausgebildet ist. Der runde Außenmantel gewährleistet eine größere mechanische Festigkeit. Im Vergleich dazu gewährleistet der wellenförmige Außenmantel einen besseren Schutz gegen magnetische Verluste aufgrund von Wärme.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Speichenrotor. Eine elektrische Maschine ist beispielsweise ein Elektromotor, ein Generator oder ein Starter.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einem Elektromotor, insbesondere EC- oder DC-Motor, mit einem solchen Speichenrotor. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor eine Synchronmaschine, ein Reluktanzmotor, ein permanentmagneterregter Gleichstrommotor, ein Außenläufermotor oder ein Elektromotor mit einer anderen Topologie. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ein EC-Innenläufermotor.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verstellantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der einen Elektromotor mit einem solchen Speichenrotor umfasst. Ein solcher Verstellantrieb ist beispielsweise ein Heckklappenantrieb, ein Fensterheberantrieb, ein Servoantrieb, ein Wischer, ein Lüfter oder ein Sitzverstellantrieb. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mit einer Handwerkzeugmaschine mit einem Elektromotor, der einen solchen Speichenrotor umfasst. Eine solche Handwerkzeugmaschine ist beispielsweise eine Bohrmaschine, eine Stichsäge oder eine elektrische Schere.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1 zeigt in (a)–(c) jeweils einen Polring eines erfindungsgemäßen Speichenrotors;
2 zeigt in (a) und (b) eine Anordnung aus einem Dauermagneten, einem Sektor und einem Spaltfüller eines Polrings eines erfindungsgemäßen Speichenrotors, und in (c) ein Formschlussmittel eines Sektors eines Polrings eines erfindungsgemäßen Speichenrotors;
3 zeigt in (a) eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors, in (b) einen Schnitt durch den Speichenrotor aus (a) quer zur Achse, und in (c) einen Schnitt durch den Speichenrotor aus (a) in axialer Richtung;
4 zeigt in (a) eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors, in (b) einen Schnitt durch den Speichenrotor aus (a) quer zur Achse, und in (c) einen Schnitt durch den Speichenrotor aus (a) in axialer Richtung;
5 zeigt in (a) und (b) jeweils einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Speichenrotor;
6 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors in axialer Richtung;
7 zeigt in (a)–(c) jeweils Schnittbilder einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors; und
8 zeigt einen Schnitt durch einen vollflächig ummantelten Polring.
1 zeigt einen Polring 1 für einen erfindungsgemäßen Speichenrotor 10. Der Polring 1 weist eine Vielzahl von Sektoren 11.i auf, die aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, und zum Leiten eines magnetischen Flusses (nicht gezeigt) vorgesehen sind. Zwischen benachbarten Sektoren 11.i ist jeweils ein Dauermagnet 2.i angeordnet, der zum Erzeugen des magnetischen Flusses vorgesehen ist. Die Dauermagnete 2.i sind quaderförmig ausgebildet und erstrecken sich in eine axiale Richtung 31 zu einer Achse 30. Die Sektoren 11.i verjüngen sich entgegen einer radialen Richtung 32 zur Achse 30 so, dass der aus den Sektoren 11.i und den Dauermagneten 2.i gebildete Polring 1 sich konzentrisch um die Achse 30 erstreckt. Die Dauermagnete 2.i werden in radialer Richtung 32 durch Haltestege 12 gehalten, die beidseitig der Sektoren 11.i an einer achsabgewandten Außenseite 161 der Sektoren 11.i angeordnet sind. Die Haltestege 12 erstrecken sich in axialer Richtung 31. Da die benachbarten Sektoren 11.i durch die Dauermagnete 2.i in Umfangsrichtung 33 voneinander beabstandet sind, ist zwischen den Haltestegen 12 ein nutförmiger Freiraum 14 gebildet.
An einer achsabgewandten Innenseite 162 des Polrings 1 weisen die Sektoren 11.i jeweils ein Formschlussmittel 13 auf. Das Formschlussmittel 13 ist hier jeweils als eine schwalbenschwanzförmige Nut ausgebildet. Es ist zum formschlüssigen Verbinden eines Befestigungsmittels 4 (s. 3, 4) mit dem Polring 1 vorgesehen.
1(a) zeigt eine Ausführungsform eines solchen Polrings 1 in einer perspektivischen Ansicht, bei dem zur Verringerung der Momentenwelligkeit eines den Polring 1 umfassenden Speichenrotors 11 an einer ersten Seite 201 jedes Dauermagneten 2.i ein Spaltfüller 6 zwischen dem Dauermagneten 2.i und dem dieser Seite 201 benachbarten Sektor 11.i angeordnet ist. An einer der ersten Seite 201 gegenüberliegenden zweiten Seite 202 ist bevorzugt ein elastisches oder elastisch-plastisches Füllmittel (nicht gezeigt) vorgesehen.
Auch der Polring 1 der 1(b) weist einen solchen Spaltenfüller 6 an der zweiten Seite 202 des Dauermagneten 2.i auf. Zudem ist dieser Polring 1 von einer Hülse 5 umgeben, die ihn gegen Fliehkräfte sichert. Die Hülse 5 ist beispielsweise als Kunststofffolie ausgebildet.
Der Polring 1 der 1(c) weist zwar eine solche Hülse 5 auf, aber keine Spaltenfüller 6. Zudem erstreckt sich die Hülse 5 dieses Polrings 1 nicht über die gesamte axiale Länge L1 des Polrings 1.
In allen drei Ausführungsformen der 1 sind die Sektoren 11.i aus einem Vollkörper, oder aus baugleichen Lamellen (nicht bezeichnet), die beispielsweise durch Stanzpaketieren miteinander verbunden sind, gebildet.
2 zeigt die Anordnung des Dauermagneten 2 und des Spaltenfüllers 6 an gegenüberliegenden Seiten 151, 152 eines Sektors 11. In 2(a) ist die Anordnung explosionsartig dargestellt, und in 2(b) in aneinander anliegendem, montiertem Zustand.
An einer ersten Seite 151 des Sektors 11 ist jeweils der Dauermagnet 2 angeordnet. An der der ersten Seite 151 gegenüberliegenden zweiten Seite 152 des Sektors 11 ist jeweils der Spaltfüller 6 angeordnet. Im montierten Zustand des Polrings 1 sind daher immer ein Dauermagnet 2, ein Sektor 11 und ein Spaltfüller 6 abwechselnd aneinander angeordnet.
2(c) zeigt eine Ausführungsform des Formschlussmittels 13. Dargestellt ist eine Symmetrieebene, die durch die axiale Richtung und eine radiale Richtung aufgespannt ist.
Sichtbar ist, dass das Formschlussmittel 13 schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. Es ist jedoch unsymmetrisch zur Symmetrieebene S. Und zwar ist eine Kontur 131 des Formschlussmittels 13 gegenüber einer symmetrischen Kontur 131’ des Formschlussmittels 13 nach innen verschoben. Die Verschiebung ist durch Pfeile 7 schematisch gezeigt. Durch eine solche Unsymmetrie wird der Sektor 11 geringfügig in einem Winkel (nicht dargestellt) zur radialen Richtung 32 angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass ein Luftspalt (nicht gezeigt) zwischen dem Sektor 11 und benachbarten Dauermagneten 2i (s. 1) dadurch verringerbar ist, und die Flussverluste verringert sind.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors 10. Der Speichenrotor 10 ist in der 3(a) in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. 3(b) zeigt den Speichenrotor 10 in einem Schnittbild quer zur Achse 30, 3(c) in einem Schnittbild entlang der Achse 30.
Der Rotor 10 weist ebenfalls einen Polring 1 auf, der aus einer Vielzahl von Sektoren 11.i und zwischen den Sektoren 11.i angeordneten Dauermagneten 2.i gebildet ist. Im Gegensatz zu den Polringen 1 der 1 sind hier jedoch zwischen den Lamellen 19 mit beidseitig der Sektoren 11.i angeordnetem Haltemittel 12 zudem Zwischenlamellen 9 vorgesehen. Die Zwischenlamellen 9 weisen Querstege 91 an der achs- bzw. wellenabgewandten Außenseite 161 der Sektoren 11.i auf. Dadurch verleihen sie dem Speichenrotor 10 mehr Stabilität, und die Dauermagnete 2.i sind zusätzlich gesichert.
Im Polring 1 ist zentrisch eine Welle 3 angeordnet, die sich in axialer Richtung 31 und konzentrisch zur Achse 30 erstreckt. Die Welle 3 weist eine Wellenschulter 34 auf. Im Bereich der Wellenschulter 34 ist ein Durchmesser D_W der Welle 3 größer, als ihr Durchmesser D₁, D₂ außerhalb der Wellenschulter 34. Der Polring 1 ist im Bereich der Wellenschulter 34 mit der Welle 3 drehfest verbunden.
Dafür ist zwischen dem Polring 1 und der Welle 3 ein Befestigungsmittel 4 aus einer ersten ausgehärteten, (aushärtbaren) Masse angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Befestigungsmittel 4 zumindest teilweise speichenartig ausgebildet. Die Speichen 41 erstrecken sich in radialer Richtung 32. Sie sind voneinander beabstandet. Zudem sind sie in Umfangsrichtung 33 gleichmäßig verteilt angeordnet.
Zwischen den Speichen 41 sind Aufnahmen 8 angeordnet, die hier ungefüllt, beziehungsweise mit Luft gefüllt, sind. Da der Zwischenraum (nicht bezeichnet) zwischen dem Polring 1 und der Welle 3 nur teilweise mit dem Befestigungsmittel 4 gefüllt ist, ist der Speichenrotor 10 dieser Ausführungsform verhältnismäßig leicht. Es hat sich zudem gezeigt, dass die Anordnung der Speichen 41 eine sehr gute Stabilität und Konzentrizität des Speichenrotors 10 gewährleistet.
Zum Befestigen des Polrings 1 an der Welle 3 sind auch hier die an der der Welle 3 (beziehungsweise Achse 30) zugewandten Innenseite 162 des Polrings 1 vorgesehenen Formschlussmittel 13 angeordnet. Sie sind fluchtend zu den Speichen 41 angeordnet und im Wesentlichen mit der ausgehärteten Masse des Befestigungsmittels 4 gefüllt. Zudem erstreckt sich das Befestigungsmittel 4 vollflächig über die wellenzugewandten Innenseite 162 des Polrings 1. Dadurch sind die Dauermagnete 2.i gegen ein Verschieben gegen die radiale Richtung 32 gesichert. Die erste ausgehärtete Masse ist dafür elastisch oder elastisch-plastisch ausgebildet, um ein ausreichendes Federverhalten und/oder mechanisches Klemmverhalten aufzuweisen. Das Befestigungsmittel 4 ist an der wellenzugewandten Innenseite 162 des Polrings 1 daher ringförmig ausgebildet. Im Folgenden wird der an der Innenseite 162 des Polrings 1 angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels 4 als Außenring 43 des Befestigungsmittels 4 bezeichnet.
Die Welle 3 weist zudem zweite Formschlussmittel 35 auf. Die zweiten Formschlussmittel sind hier als eine Rändelung ausgebildet. Die zweiten Formschlussmittel 35 sind an einer dem Polring 1 zugewandten Außenseite 36 der Welle 3 angeordnet ist. Außerdem ist die Welle 3 vollflächig vom Befestigungsmittel 4 umgeben, so dass das Befestigungsmittel 4 in die Rändelung 35 eingreift und beim Drehen der Welle 3 mit dieser zusammenwirkt. Das Befestigungsmittel 4 ist daher an der dem Polring 1 zugewandten Außenseite 36 der Welle 3 ringförmig ausgebildet. Im Folgenden wird der an der Außenseite 36 der Welle 3 angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels 4 als Innenring 42 des Befestigungsmittels 4 bezeichnet. Die Speichen 41 erstrecken sich in radialer Richtung 32 zwischen dem Innenring 42 des Befestigungsmittels 4 und dem Außenring 43 des Befestigungsmittels 4.
An seinen in axialer Richtung 31 gegenüberliegenden Enden 101, 102 weist der Speichenrotor 10 Stirnflächen 111, 112 auf. Die Stirnflächen 111, 112 erstrecken sich quer zur Achse 30. Das Befestigungsmittel 4 erstreckt sich hier nahezu vollflächig über die Stirnflächen 111, 112. Es erstreckt sich daher im Bereich des Polrings 1 ringförmig entlang der Stirnfläche 111, 112. Dieser Bereich des Befestigungsmittels wird im Folgenden als Stirnring 44 bezeichnet. Außerdem erstreckt es sich bei der hier dargestellten Ausführungsform des Speichenrotors 10 zumindest am ersten Ende 101 in axialer Richtung 31 über die Wellenschulter 34 hinaus. Am zweiten Ende 102 ist es hingegen bündig zur Wellenschulter 34 vorgesehen. Am ersten Ende 101 erstreckt sich das Befestigungsmittel 4 daher zumindest teilweise ringförmig im Bereich der Wellenschulter 34 entlang der Stirnfläche 111, 112. Dieser Bereich wird im Folgenden als Stirnrand 46 bezeichnet.
Durch den an beiden Enden 101, 102 des Speichenrotors 10 angeordneten Stirnring 44 sind die Dauermagneten 2.i gegen ein Verschieben in und gegen die axiale Richtung 31 gesichert.
Weiterhin weist das Befestigungsmittel 4 hier etwa mittig des Speichenrotors 10 Zwischenstege 45 auf, die sich quer zur Achse 30 erstrecken und die Aufnahmen 8 in axialer Richtung 31 unterteilen. Auch die Zwischenstege 45 erhöhen die Stabilität des Speichenrotors 10.
Der Speichenrotor der 4 unterscheidet sich von dem der 3 darin, dass in den Aufnahmen 8 eine zweite (aushärtbare), ausgehärtete Masse 40 angeordnet ist. Die zweite ausgehärtete Masse 40 wird nach dem Aushärten der ersten ausgehärteten Masse des Befestigungsmittels 4 in den Aufnahmen 8 angeordnet. Sie kann aus demselben Material hergestellt sein, wie die erste ausgehärtete Masse. Es ist aber bevorzugt, dass sie gegenüber dieser ein geringeres Gewicht aufweist und/oder sich beim Aushärten stärker ausdehnt. Dadurch werden die Dauermagnete 2.i zusätzlich gegen die Haltestege 12 und/oder Querstege 91 gedrückt.
Zudem ist hier sichtbar, dass das Befestigungsmittel 4 hier keine Zwischenstege 45 aufweist, die die Aufnahmen 8 in axialer Richtung 31 unterteilen. Der Speichenrotor 10 dieser Ausführungsform weist daher Aufnahmen 8 auf, die sich über die gesamte axiale Länge L1 des Speichenrotors 10 erstrecken.
5 zeigt in (a) einen Ausschnitt aus einem Speichenrotor 10, bei dem das zwischen dem Polring 1 und der Wellenschulter 34 angeordnete Befestigungsmittel 4 bündig zur Wellenschulter 34 angeordnet ist. Dieses Befestigungsmittel 4 weist daher keinen Stirnrand 46 auf. Sichtbar sind der Innenring 42, die Speichen 41 und der Stirnring 44 des Befestigungsmittels 4.
Bei dem Speichenrotor 10 der 5(b) sind die Speichen 41 gegenüber der radialen Richtung 32 geringfügig schräg angeordnet. Zur Klarstellung ist dies hier überzeichnet dargestellt. Dadurch weisen die Speichen 41 einen spitzen Winkel 48 von bevorzugt etwa 1°–20°, besonders bevorzugt etwa 2°–8°, zur radialen Richtung 32 auf. Die Sektoren 11.i werden dadurch in dem Winkel 48 zur Welle 3 gezogen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch ein Luftspalt (nicht gezeigt) zwischen den Dauermagneten 2.i und den ihnen benachbarten Sektoren 11.i verringert ist, und die Flussverluste daher sehr gering sind.
Bei den bisher beschriebenen Speichenrotoren 10 ist der Polring 1 nicht vollflächig ummantelt. Im Gegensatz dazu zeigt die 6 einen Speichenrotor 10 mit vollflächig ummanteltem Polring 1.
Bei diesem Speichenrotor 10 ist das Befestigungsmittel 4 an der wellenabgewandten Außenseite 161 des Polrings 1 ringförmig ausgebildet. Es erstreckt sich über die gesamte axiale Länge L1 des Speichenrotors 10. Der an der Außenseite 161 des Polrings 1 angeordnete, ringförmige Bereich des Befestigungsmittels 4 ist im Folgenden als Außenmantel 47 des Befestigungsmittels 4 bezeichnet. Der Außenmantel 47 ist hier rund ausgebildet. Dadurch gewährleistet er eine große mechanische Festigkeit.
Sichtbar sind zudem Ausnehmungen 163 am Außenmantel 47, die fertigungsbedingt sind.
7 zeigt in (a)–(c) jeweils eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speichenrotors 10.
Der Speichenrotor 10 der 7(a) unterscheidet sich von dem der 6 darin, dass er eine Hülse 5 aufweist, welche an der wellenabgewandten Außenseite 48 des Befestigungsmittels 4, d. h. am Außenmantel 47, angeordnet ist. Zudem ist in den Aufnahmen 8 dieses Speichenrotors 10 die zweite ausgehärtete Masse 40 angeordnet.
Der Speichenrotor 10 der 7(b) weist zwar die Hülse 5 auf. In den Aufnahmen 8 ist aber keine zweite ausgehärtete Masse 40 vorgesehen. Zudem weist das Befestigungsmittel 4 dieses Speichenrotors 10 die Zwischenstege 45 zwischen den in axialer Richtung 31 fluchtend zueinander angeordneten Aufnahmen 8 auf.
Und der Speichenrotor 10 der 7(c) unterscheidet sich von dem Speichenrotor 10 der 7(b) lediglich darin, dass er keine Hülse 5 aufweist.
8 zeigt einen Schnitt durch einen vollflächig ummantelten Polring 1 eines Speichenrotors 10, bei dem Welle 3 und Polring 1 durch eine vorzugsweise unabhängig vom Polring 1 hergestellte Verbindungshülse (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. Für einen solchen separat hergestellten Polring ist eine herkömmliche Welle verwendbar, insbesondere eine Hohlwelle. Die Welle ist beispielsweise mittels einer Schrumpfverbindung montierbar.
Die Dauermagnete 2.i des erfindungsgemäßen Speichenrotors 10 sind während der Herstellung sehr genau positionierbar. Der Speichenrotor 10 weist daher sehr kleine Rastmomente auf. Zudem ist ein Spritzgusswerkzeug für die Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen Speichenrotors 10 verhältnismäßig einfach aufgebaut und daher kostengünstig herstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010061778 A1 [0006]

Claims

Speichenrotor (10) für eine elektrische Maschine, mit einem Polring (1) und mit einer im Polring (1) angeordneten Welle (3), die sich konzentrisch um eine Achse (30) erstrecken und voneinander beabstandet sind, wobei der Polring (1) eine Vielzahl von Sektoren (11.i) aufweist, zwischen denen Dauermagnete (2.i) angeordnet sind, und wobei zwischen der Welle (3) und dem Polring (1) ein Befestigungsmittel (4) vorgesehen ist, das aus einer ersten ausgehärteten Masse gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • das Befestigungsmittel (4) zumindest teilweise speichenförmig ausgebildet ist, wobei sich die Speichen (41) in eine radiale Richtung (32), oder im Wesentlichen in die radiale Richtung (32), zur Achse (30) erstrecken; und/oder • der Polring (1) vollumfänglich vom Befestigungsmittel (4) umgeben ist.
Speichenrotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (41) in Umfangsrichtung (33) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Speichen (41) Aufnahmen (8) angeordnet sind.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufnahmen (8) eine zweite ausgehärtete Masse (40) angeordnet ist.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite ausgehärtete Masse (40) ein geringeres Gewicht als die erste ausgehärtete Masse (4) aufweist, und/oder sich beim Aushärten ausdehnt.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er an in axialer Richtung (31) gegenüberliegenden Enden (101, 102) Stirnflächen (111, 112) aufweist, wobei sich das Befestigungsmittel im Wesentlichen vollflächig entlang der Stirnflächen (111, 112) erstreckt.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) eine Wellenschulter (34) aufweist.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (4) bündig zur Wellenschulter (34) angeordnet ist, oder sich in einer axialen Richtung (31) über die Wellenschulter (34) hinaus erstreckt.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Seite (201) jedes Dauermagneten (2.i) ein Spaltfüller (6) zwischen dem Dauermagneten (2.i) und dem dieser Seite (201) benachbarten Sektor (11.i) angeordnet ist.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der ersten Seite (201) jedes Dauermagneten (2.i) gegenüberliegenden zweiten Seite (202) ein elastisches oder elastisch-plastisches Füllmittel angefügt ist, insbesondere angeklebt oder angespritzt.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer wellenabgewandten Außenseite (161) des umspritzten oder nicht umspritzten Polrings (1) eine Hülse (5) angeordnet ist.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (4) an der wellenabgewandten Außenseite (161) des vollumfänglich umspritzten Polrings (1) rund oder wellig ausgebildet ist.
Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sektoren (11.i) Formschlussmittel (13) vorgesehen sind, insbesondere Ausnehmungen oder Nuten, die zur Aufnahme der ersten aushärtbaren Masse (4) vorgesehen und unsymmetrisch ausgebildet sind.
Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einem Speichenrotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verstellantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 14.