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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ringmagneten, der sich konzentrisch um eine Längsachse über eine Länge erstreckt, und eine radiale Wanddicke aufweist, sowie auf eine elektrische Maschine beinhaltend einen solchen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ringmagneten.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen sind beispielsweise Elektromotoren, Starter, Generatoren, oder Hilfsantriebe wie beispielsweise Verstellantriebe für Kraftfahrzeuge. Bei solchen elektrischen Maschinen ist es bekannt, den Rotor oder Stator zur Erzeugung eines permanentmagnetischen Feldes mit Dauermagneten auszustatten. Dabei ist es bekannt, Ringmagnete zu verwenden, die sich in axialer Richtung erstrecken, hohlzylindrisch ausgebildet sind und in radialer Richtung magnetisiert werden. Nachteilig an solchen Ringmagneten ist es, dass sich Fremdpartikel, insbesondere magnetische Partikel, im Luftspalt zwischen Rotor und Stator festsetzen können. Da der Luftspalt um eine möglichst große Maschinenleistung zu erzielen möglichst klein gewählt wird, können solche Fremdpartikel zu Reibung und daher einem Leistungsverlust, und zu Geräuschen im Betrieb der elektrischen Maschine führen.
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Mit der
DE 10 2013 202 190 A1 ist ein Ringmagnet bekannt geworden, an dessen Oberfläche ein Mittel zur Aufnahme von Fremdpartikel ausgebildet ist. Dieses Mittel ist beispielsweise als Rille oder Nut ausgebildet, deren Tiefe beispielsweise 10 bis 20% der Wandstärke des Ringmagneten aufweist. Bei einer geringen Wandstärke ist solch eine Nut relativ schwer zu fertigen und stellt eine Schwachstelle für die Beschädigung des Ringmagneten bei dessen Montage in ein Gehäuse dar. Außerdem ist die Tiefe einer solchen Nut bei einer geringen Magnetwandstärke relativ gering, so dass nur relativ kleine oder wenige Fremd- oder Schmutzpartikel aufgenommen werden können. Um den Ringmagneten gegen eine Verdrehung im Gehäuse zu sichern können beispielsweise radiale Aufwürfe im Gehäuse ausgebildet werden. Durch die dabei auftretende Spannung kann jedoch der Ringmagnet leicht zerstört werden. Wird der Ringmagnet eingeklebt, besteht die Gefahr dass der Ringmagnet an der glatten Gehäuseoberfläche durchdreht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Ringmagnet sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine beinhaltend einen solchen, sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Ringmagneten nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch das Ausformen von Schlitzen im Ringmagneten, die radiale Durchbrüche in der Wand des Ringmagneten darstellen, solche Schlitze ein viel größeres Volumen für die Aufnahme von Schmutz und Fremdpartikel zur Verfügung stellen. Durch ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind solche Ringmagneten leichter zu fertigen, als bei der lokalen Reduzierung der Wandstärke des Ringmagneten. Daher lassen sich solche Ringmagneten mit Schlitzen, die sich über die gesamte radiale Wandstärke des Ringmagneten erstrecken, auch leichter in einem Polgehäuse befestigen, ohne dass die Gefahr für die Beschädigung des Ringmagneten besteht.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausbildungen möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der radial durchgehenden Schlitze bei der Verwendung von Magnetmaterial, das in einem Formwerkzeug hergestellt wird. Dadurch kann ein Sintermagnet oder ein spritzgegossener Magnet mittels eines sehr günstigen Herstellungsverfahrens kostengünstig produziert werden. Auf diese Weise lassen sich auch Seltenerdmagnete, die insbesondere Neodym-Eisen-Bor enthalten, prozesstechnisch sicher verarbeiten.
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Werden die Schlitze in Axialrichtung ausgebildet, können diese im Bereich der Polwechsel angeordnet werden. Da diese Bereiche keinen großen Beitrag zu dem für den Antrieb eines Elektromotors notwendigen Magnetfluss leisten, kann durch die Ausbildung der radialdurchgehenden Schlitze Magnetmaterial – und damit sowohl Kosten als auch Gewicht – eingespart werden, ohne dass die Leistung der elektrischen Maschine nennenswert sinkt.
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Besonders günstig ist es, die Schlitze nur über einen Teilbereich der axialen Länge des Permanentmagneten auszubilden, damit der Ringmagnet über den gesamten Umfang ein einziges geschlossenes Bauteil darstellt, was dessen Stabilität deutlich erhöht. Um eine ausreichende Stabilität des Ringmagneten zu gewährleisten beträgt die Schlitzlänge etwa 50 bis 75% der Länge des Ringmagneten. Dadurch, dass die Länge des Schlitzes mindestens 50% der Länge des Ringmagneten beträgt ist gewährleistet, dass sich die Falle für die Fremdpartikel über einen wesentlichen axialen Bereich des Ringmagneten erstreckt.
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Da die Schmutz- oder Fremdpartikel durch das Drehen des Rotors innerhalb des Ringmagneten mitrotieren, sind die Schlitze derart angeordnet, dass immer zwei in Umfangsrichtung benachbarte Schlitze axial die gesamte Länge des Ringmagneten abdecken. Dabei sind die radial durchgehenden Schlitze immer axial versetzt angeordnet, so dass aufeinanderfolgende Schlitze jeweils an axial gegenüberliegenden Rändern des Ringmagneten beginnen und sich mindestens bis zur axialen Mitte des Ringmagneten erstrecken.
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Besonders günstig ist es, wenn sich die in Umfangsrichtung benachbarten Schlitze in der axialen Mitte des Ringmagneten axial überlappen, damit auch die in der Mitte auftretenden Fremdpartikel schnell und zuverlässig durch die Rotation des Rotors in einen Schlitz eingeschoben werden können. Für eine maximale Effizienz des Ringmagneten ist bezüglich der Umfangsrichtung an jedem Polübergang ein axialer Schlitz ausgebildet. Bei einem vierpoligen Ringmagneten sind dabei wechselseitig insgesamt genau vier Schlitze angeordnet – näherungsweise in einem Winkelabstand von 90°.
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Ausgehend von einem axialen Rand des Ringmagneten erstreckt sich der Schlitz mindestens bis zur axialen Mitte des Ringmagneten. Dieses Ende, das axial innerhalb der Länge des Ringmagneten endet, ist bevorzugt als Rundung ausgebildet, so dass in Axialrichtung keine Kerbwirkung am Ende des Schlitzes in Axialrichtung erzeugt wird.
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In einer ersten Ausbildung der Erfindung verlaufen die inneren gegenüberliegenden Seitenflächen des Schlitzes in Axialrichtung parallel zueinander. In einer Ausführungsvariante kann jedoch auch der Schlitz am axialen Rand eine größere Breite aufweisen als im axial mittleren Bereich, wodurch sich der Ringmagnet bei dessen Fertigung leichter aus dem Formwerkzeug entformen lässt.
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Die Breite des Schlitzes kann vorteilhaft an die Größe der Fremdpartikel angepasst werden. Dabei ist die Schlitzbreite an der Innenseite des Ringmagneten das entscheidende Maß, ob der Schlitz als Falle für die Fremdpartikel funktioniert. Dabei kann im einfachsten Fall die Breite des Schlitzes an der Innenseite und der Außenseite des Ringmagneten gleich groß sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die Schlitzbreite an der Außenseite des Ringmagnets größer ausgebildet, als an der Innenseite des Ringmagneten da diese konische Ausbildung des Schlitzes in Radialrichtung kaum Verluste für den Magnetfluss bezüglich des Rotors verursacht. Durch die größere Breite an der Außenseite wird jedoch ein größeres Volumen für potenzielle Fremdpartikel zur Verfügung gestellt.
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Beispielsweise beträgt Schlitzbreite etwa 0,5 bis 1,0 mm da die Entstehung größere Fremdpartikel bei der Herstellung der elektrischen Maschine sehr unwahrscheinlich sind. Für erfindungsgemäße Anwendungen als Verstellantrieb im Kraftfahrzeug beträgt die Wanddicke des Ringmagneten etwa 0,8 bis 2,0 mm. Somit kann die Schlitzbreite etwa in der gleichen Größenordnung wie die Wanddicke des Ringmagneten liegen. Bei einem keilförmig ausgebildeten Schlitz ist hierbei die minimale Schlitzbreite etwa im Bereich der Wandstärke, wobei sich davon ausgehend der Schlitz dann verbreitert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel verläuft der Schlitz nicht parallel zur Axialrichtung des Ringmagneten, sondern in Umfangsrichtung. In einer besonders einfach zu fertigenden Ausführung läuft der Schlitz etwa senkrecht zur Rotationsachse des Ringmagneten einmal vollständig in Umfangsrichtung um den Ringmagneten herum. Dadurch ist der Ringmagnet zweiteilig ausgebildet, so dass sich hierbei die Schlitzbreite in Axialrichtung erstreckt. Bei einer solchen, sehr einfach zu fertigenden Ausführung werden Fremdpartikel nur im axial mittleren Bereich des Ringmagneten von dem Schlitz aufgenommen, so dass diese zuvor durch den Rotor in eine Axialbewegung versetzt werden müssen, um zu dem axial mittigen Schlitz transportiert zu werden.
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In einer Variante dieser Ausführung verläuft der Schlitz nicht senkrecht zur Rotationsachse des Ringmagneten sondern unter einem Winkel der kleiner 90° jedoch deutlich größer als 0° ist. Durch die Ausbildung eines solchen Winkels zwischen der Schlitzebene und der Rotationsachse kann sich der Schlitz über weite axiale Bereiche des Ringmagneten erstrecken. Wird der Winkel derart gewählt, dass der Schlitz fast bis zum axialen Rand des Ringmagneten reicht, können eben fast alle Fremdpartikel mit der Rotation des Rotors direkt in den schrägen Schlitz eingeschoben werden. Bei einem solchen schräg angeordneten Schlitz (0° < α < 90°) ist der Ringmagnet immer noch zweiteilig ausgebildet, wobei jedes Teil zumindest über einen axialen Randbereich über den gesamten Umfang geschlossen ausgebildet ist. Ein solcher zweiteiliger Ringmagnet kann prinzipiell mit dem gleichen Fertigungsverfahren hergestellt werden, wie bei einem einteiligen Ringmagneten mit axialen Schlitzen.
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Wird ein Ringmagnet mit einem radial durchgehenden Schlitz in eine elektrische Maschine eingebaut, kann dieser Schlitz auch an der radialen Außenfläche des Ringmagneten Klebstoff aufnehmen, wenn der Ringmagnet in ein Polgehäuse eingeklebt wird. Nach dem Aushärten des Klebstoffs bildet somit der in dem Schlitz aufgenommene Klebstoff einen Formschluss bezüglich der Drehrichtung des Ringmagneten, so dass durch die Klebetaschen der Schlitze eine Drehsicherung des Ringmagneten im Polgehäuse realisiert ist. Außerdem kann bei solchen Ausführungen der Schlitze genügend Klebstoff bei der Montage des Ringmagneten in das Polgehäuse verwendet werden, da der übrige Klebstoff in den Taschen der Schlitze aufgenommen wird.
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Für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird vorteilhaft ein Formwerkzeug verwendet, das ein radiales Innenteil und ein Außenteil aufweist. Dabei sind entweder am Innen- oder am Außenteil radiale Stege ausgebildet, die nach dem Befüllen des Formwerkzeugs die Schlitze im Ringmagneten ausbilden. Unabhängig davon, ob die Schlitze in Axialrichtung verlaufen oder quer oder schräg zur Axialrichtung, können die den Schlitzen entsprechenden Stege immer an zumindest einem der beiden Formteile angeformt werden. Zur Entnahme des Ringmagneten aus dem Formwerkzeug werden die beiden Teile des Formwerkzeugs in Axialrichtung entfernt, so dass die radialen Stege den Entformungsprozess nicht stören. Mittels dieses Herstellungsverfahrens können sehr einfach Sintermagnete oder spritzgegossene Magnete hergestellt werden, die insbesondere Selten Erden-Metalle enthalten. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ringmagneten,
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2 einen Querschnitt gemäß 1 mit unterschiedlichen Ausführungsvarianten,
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3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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4 weitere Ausführungsbeispiele einer elektrischen Maschine.
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In 1 ist ein Ringmagnet 10 dargestellt, dessen Wanddicke 15 in Radialrichtung 14 deutlich geringer ist, als ein Radius 18 des Ringmagneten 10. Somit ist der Ringmagnet 10 hohlzylindrisch ausgebildet, und weist eine Länge 13 entlang der Längsachse 12 auf, die gleichzeitig eine Rotationsachse einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 40 darstellt. Der Ringmagnet 10 ist beispielsweise als Teil eines Stators 11 ausgebildet, der einen nicht dargestellten Rotor im Inneren des Ringmagneten 10 in Drehung versetzt. Der Ringmagnet 10 weist Schlitze 20 auf, die einen radialen Durchbruch durch den Ringmagneten 10 bilden. Somit erstrecken sich die Schlitze 20 über die gesamte radiale Wanddicke 15 des Ringmagneten 10. Ein Schlitz 20 erstreckt sich von einem ersten axialen Rand 26 ausgehend entlang der Längsachse 12 bis mindestens in die axiale Mitte 28 des Ringmagneten 10. Bevorzugt erstreckt sich die Schlitzlänge 21 über 50 bis 75% der Länge 13 des Ringmagneten 10 und endet beabstandet zum axial gegenüberliegenden Rand 27 des Ringmagneten. Der in Umfangsrichtung 16 nächstliegende Schlitz 20 beginnt am gegenüberliegenden axialen Rand 27 und endet mit einem axialen Abstand 25 zum ersten Rand 26. Über den Umfang sind somit die Schlitze 20 axial wechselseitig angeordnet, so dass ein erster Schlitz 20 an einem ersten axialen Rand 26 beginnt und der in Umfangsrichtung 16 nächste Schlitz 20 am gegenüberliegenden axialen Rand 27 beginnt. Im Ausführungsbeispiel für einen vierpoligen Ringmagneten 10 sind beispielsweise insgesamt genau vier Schlitze 20 angeordnet, die jeweils in einem Umfangswinkel 19 von etwa 90° zueinander angeordnet sind. So beginnen zwei radial genau gegenüberliegende Schlitze 20 jeweils am ersten axialen Rand 26, und die beiden dazwischenliegenden, diametral gegenüberliegenden Schlitze 20 am gegenüberliegenden axialen Rand 27. In einem axialen mittleren Bereich 28 überlappen sich alle Schlitze 20, wie dies im Querschnitt durch die Mitte 28 in 2 dargestellt ist. Die Schlitzbreite 17 der Schlitze 20 ist entlang deren Schlitzlänge 21 konstant. Am Ende 30 des Schlitzes 20 im mittleren Bereich 28 weist der Schlitz 20 eine Abrundung 31 auf, um ein Einkerben des Ringmagneten 10 zu verhindern. Bevorzugt beträgt die Wanddicke 15 des Ringmagneten 10 etwa 0,8 mm bis 2,0 mm. Die Schlitzbreite 17 beträgt dabei ebenfalls etwa 0,8 mm bis 2,0 mm, und ist damit größer als die typischen Fremdpartikel, die bei der Herstellung der elektrischen Maschine 40 entstehen. In einer alternativen Ausführung, insbesondere mit keilförmigen Schlitzen, sind aber auch größere Schlitzbreiten 17 möglich. Die Schlitze 20 sind im Ausführungsbeispiel im Bereich von Polübergängen 22 angeordnet, die in Umfangsrichtung 16 zwischen unterschiedlich magnetisierten Polen 24 des Ringmagneten 10 ausgebildet sind. Beispielsweise ist der Ringmagnet 10 radial magnetisiert, so dass jeweils zwischen den Schlitzen 20 in Umfangsrichtung 16 abwechselnd Süd- und Nordpole 24 angeordnet sind. Der Ringmagnet 10 weist beispielsweise vier Magnetpole 24 für einen vierpoligen Elektromotor 40 auf.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den mittleren Bereich 28 des Ringmagneten 10, wobei gleichzeitig ein Querschnitt durch alle vier Schlitze 20 dargestellt ist. Die Schlitzbreite 17 liegt in der gleichen Größenordnung wie die Wanddicke 15 des Ringmagneten 10. In einer ersten Variante sind die Innenwände 32 des Schlitzes 50 etwa parallel zueinander ausgebildet, so dass der Schlitz 50 über die gesamte Wanddicke 15 einen näherungsweise konstante Schlitzbreite 17 aufweist. Bei einer weiteren Variante eines Schlitzes 60 ist die Schlitzbreite 17 an der Außenseite 35 des Ringmagneten 10 größer ausgebildet, als an der Innenseite 34. Das bedeutet, dass sich die Schlitzbreite 17 von außen nach innen entlang der Wanddicke 15 verjüngt. Bei dieser Variante gemäß Schlitz 60 sind die Innenwände 32 des Schlitzes 60 etwa parallel zur Radialrichtung 14 des Ringmagneten 10 ausgerichtet.
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In einer weiteren Ausführung gemäß dem Schlitz 70 kann der Öffnungswinkel 72 des Schlitzes 70 in Radialrichtung 14 auch größer sein als die Innenwände 32 entlang der Radialrichtung 14 des Schlitzes 60.
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Da ein radialer Spalt zwischen dem Ringmagneten 10 und einem nicht dargestellten Rotor relativ dünn ausgebildet ist, werden eventuell vorhandene Fremdpartikel durch die Rotation des Rotors in die Schlitze 20 hineingeschoben. Wird der Ringmagnet 10 beispielsweise in ein Polgehäuse 42 gemäß 4 eingeklebt, bilden die Schlitze 20 (50, 60, 70) gleichzeitig eine Klebetasche 44 die zumindest an der radialen Außenseite 35 Klebstoff 46 aufnimmt. Dadurch wird eine sichere Klebeverbindung zwischen dem Ringmagneten 10 und dem Polgehäuse 42 geschaffen.
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In einer weiteren Ausführung gemäß 3 weist der Schlitz 20 am ersten axialen Rand 26 eine größere Schlitzbreite 17 aus als an dessen Ende 30 im mittleren Bereich 28 des Ringmagneten 10. Dadurch ist der Schlitz 20 entlang der Längsachse 12 keilförmig ausgebildet. Die beiden gegenüberliegenden Innenwände 32 sind hierbei nicht parallel zueinander ausgebildet. Die keilförmige oder V-förmige Ausbildung des Schlitzes 20 entlang der Längsachse 12 ermöglicht eine leichtere Entformung des Ringmagneten 10 aus einem nicht näher dargestellten Form-Werkzeug. Das Form-Werkzeug besteht aus einem Außenring und einem Innenring, wobei am Außen- und/oder Innenring radiale Fortsätze ausgebildet sind, die der Kontur der Schlitze 20 entsprechen. Nach dem Sintern oder Spritzgießen des Ringmagneten 10 im Form-Werkzeug wird dessen Innenring und/oder Außenring mit den radialen Fortsätzen axial bezüglich des Ringmagneten 10 entfernt, um den Ringmagneten 10 aus dem Form-Werkzeug zu entformen. Dabei können die radialen Fortsätze entsprechend der gewünschten Anordnung und Ausformung der Schlitze an dem Form-Werkzeug ausgeformt werden. Der Ringmagnet 10 ist bevorzugt als Seltene Erden-Magnet ausgebildet, so dass die Wanddicke 15 gegenüber dem Durchmesser des Ringmagneten 10 bevorzugt sehr dünn ausgebildet ist. Der über die Umfangsrichtung 16 einteilig ausgebildete Ringmagnet 20 wird dann axial in ein Polgehäuse 42 eingefügt. Um Verspannungen zwischen dem Polgehäuse 42 und dem Ringmagneten 10 zu vermeiden, wird der Ringmagnet 10 bevorzugt in das Polgehäuse 42 eingeklebt, wobei beim Klebeprozess Klebstoff 46 in die Schlitze 20 eindringt, die dabei als Klebetaschen 44 wirken.
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In 4 ist ein Stator 11 einer elektrischen Maschine 40 dargestellt, bei dem der Ringmagnet 20 bereits in das Polgehäuse 42 eingefügt ist. Anschließend wird der nicht dargestellte Rotor mit darauf angeordneten elektrischen Wicklungen axial in den Ringmagneten 10 eingefügt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Schlitz 80 nicht entlang der Längsachse 12 angeordnet, sondern in einem Winkel 36 von etwa 90° zur Längsachse 12. Damit verläuft der Schlitz 80 in Umfangsrichtung 16 vollständig um den gesamten Ringmagneten 10 herum, so dass dieser in zwei separate axiale Teile unterteilt ist. Ein solcher Ringmagnet 10 ist dann beispielsweise aus zwei identischen axialen Teilmagneten aufgebaut. Die Schlitzbreite 17 ist hier wieder derart gewählt, dass Fremdpartikel, die beispielsweise durch die Fertigung des Elektromotors verursacht werden, im Schlitz 80 aufgenommen werden können.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Schlitz 90 unter einem Winkel 38 zur Längsachse angeordnet, der größer 0° und kleiner 90° ist. Bevorzugt wird ein Winkelbereich, bei dem der Winkel 38 zwischen 30° und 80° liegt. Dabei verläuft der Schlitz 90 schräg zur Längsachse 12, womit der Schlitz 90 über einen großen Teil der axialen Länge 13 des Ringmagneten 10 verläuft. Dadurch können Fremdpartikel über einen großen Längenbereich des Ringmagneten 12 sehr einfach in den Schlitz 90 geschoben werden. Für die Herstellung eines solchen zweiteiligen Ringmagneten 10 kann das gleiche Herstellungsverfahren wie für die Ausbildung der Längsschlitze 20 in 1 verwendet werden, indem an dem Innenring und/oder Außenring des Form-Werkzeugs der radiale Fortsatz als in Umfangsrichtung 16 umlaufender Steg ausgebildet wird, der entweder senkrecht und/oder einem Winkel 38 zur Längsachse 12 verläuft.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Schlitze 20, 50, 60, 70, 80, 90 variiert werden. Das Magnetmaterial und die Polzahl des Stators 11, sowie die Wanddicke 15 und Länge 13 des Ringmagneten 10 können ebenso den Anforderungen der elektrischen Maschine 40 und den Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für das Verstellen von beweglichen Teilen im Kraftfahrzeug, insbesondere für die Verstellung von Sitzteilen, Fensterscheiben und Schiebedächern, ist jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013202190 A1 [0003]
