DE1488502B2 - Befestigung und isolierung eines rotierenden koerpers auf seiner welle - Google Patents

Description

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solches Verfahren relativ aufwendig ist, ein genaues Dicken-Grenzwert, unterhalb dessen die Einspritzung

Vorbereiten der zu verbindenden Teile erfordert, und eines thermoplastischen Kunststoffs in den durch

daß durch das Aushärten in der Form eine große dieses Spiel gebildeten Hohlraum unvollkommen

Anzahl von Formen benötigt wird, wodurch sich wäre.

diese Herstellungsart für die Massenfertigung nicht 5 Zweckmäßig ist der thermoplastische Kunststoff

eignet. ' ^em Polyamid, und der Zuschlag ist aus kurzen Glas-

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine fasern gebildet.

Befestigung der eingangs genannten Art zu schaffen, Ferner geht man mit Vorteil so vor, daß die ge-

welche schnell und preiswert im Wege der Massen- samte Oberfläche des rotierenden Körpers von dem

fertigung hergestellt werden kann, dabei aber eine si- io bewehrten thermoplastischen Kunststoff bedeckt ist.

chere Isolation ermöglicht und eine Verbindung mit Für besonders hohe Ansprüche an die Isolation kann

guten mechanischen Eigenschaften gewährleistet, ins- die Befestigung nach der Erfindung so ausgebildet

besondere im Hinblick auf die Verhinderung von un- werden, daß die Welle aus dem gleichen Kunststoff

erwünschten Schwingungen. besteht, wie dieser zwischen dem rotierenden Körper

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs ge- 15 und der Welle eingespritzt ist. Dabei können natür-

nannten Befestigung dadurch erreicht, daß der zwi- lieh die Welle und ihre Verbindung mit dem rotie-

schen dem Körper und der Welle eingespritzte ther- renden Körper beim selben Spritzvorgang hergestellt

moplastische Kunststoff einen Zuschlag enthält, des- werden.

sen Elastizitätsmodul -wesentlich höher als derjenige In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbei-

des Kunststoffes ist. Durch das Kunststoffspritzen er- 20 spiele der Erfindung dargestellt. Durch die folgende

reicht man — im Gegensatz zum Gießen — in an Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele wird die

sich bekannter Weise wegen der dabei auftretenden Erfindung mit ihren Merkmalen und Vorteilen erläu-

außerordentlich hohen Drücke von etwa 1000 kp/ tert. Es zeigt

cm² ein porenfreies Ausfüllen des Raumes zwischen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Läufer

rotierendem Körper und seiner Welle, wie es zum 25 eines Elektromotors, der nach der Erfindung zusam-

Erzielen einer zuverlässigen Schutzisolation unerläß- mengeführt ist,

lieh ist. Darüber hinaus werden aber die mechani- F i g. 2 einen halben Querschnitt des Läufers nach

sehen Eigenschaften gegenüber den bekannten, einen Fig. 1,

thermoplastischen Kunststoff verwendenden Kon- Fig.3 einen Längsschnitt durch eine weitere ver-

struktionen entscheidend verbessert. Die Erfindung 3° einfachte Ausführungsform eines Läufers,

geht nämlich von der neuen Erkenntnis aus, daß es F i g. 4 eine weitere Ausführungsform im Längs-

zur Anwendung thermoplastischer Kunststoffe für schnitt,

den hier angegebenen Zweck (Verwendung bei rela- F i g. 5 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung

tiv hohen Betriebstemperaturen und bei Schwin- zur Umhüllung der Läuferbleche vor dem Aufpassen

gungsbeanspruchung) erforderlich ist, den Elastizi- 35 auf die Welle,

tätsmodul dieser Kunststoffe zu erhöhen. Die gemäß Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein Zahnrad, das der Erfindung zugesetzten Zuschläge dienen dabei isoliert auf eine Welle aufgepaßt ist,
nicht als Füllstoffe, sondern als Komponenten zur F i g. 7 eine Darstellung der Anwendung der ErfinErhöhung des Elastizitätsmoduls und bewirken daher dung auf ein isolierendes Lager,
eine Verschiebung der durch die elastischen Eigen- 40 F i g. 8 eine Darstellung der Anwendung der Erfinschaften des thermoplastischen Kunststoffs bedingten dung auf ein isolierendes Kopflager und
Eigenfrequenzen eines solchen Systems in Richtung F i g. 9 eine Endansicht eines erfindungsgemäß zu höheren und deshalb im allgemeinen weniger stö- aufgebauten Ständers eines Elektromotors,
renden Werten. Anders als die härtbaren Kunst- Ein erfindungsgemäß ausgeführter und z.B. in stoffe, welche einen relativ hohen Ε-Modul haben, 45 Fig. 1 und2 dargestellter Läufer eines Elektromoverfügen nämlich die bei der Erfindung verwendeten tors besteht aus einer Welle 1 aus Stahl und einem thermoplastischen Werkstoffe (z.B. Polyamide, Po- koaxialen Paket Bleche2, die Nuten5 bilden, in die lykarbonate od. dgl.) bei relativ hoher Elastizität nur bei der Herstellung die elektrischen Leiter des Läuüber einen relativ kleinen E-Modul. — Durch die fers eingelegt werden. Diese zwei koaxialen Teile der neue Erkenntnis nach der Erfindung ist man also in 50 den Läufer bildenden mechanischen Einheit sind rader Lage, z. B. Läufer von Elektromotoren durch dial durch einen Zwischenraum 3 getrennt und durch Kunststoffspritzen von der Welle zu isolieren (Schutz- Einspritzen eines bewehrten Kunststoffs 4 zusamisolation), wobei der eigentliche Einpritzvorgang mengefügt, der nicht nur, unter Ausfüllung des Zwimit Abkühlung nur einige Sekunden benötigt, so daß schenraums 3, die Welle 1, sondern auch in Form sich eine solche Befestigung sehr gut für die Serien- 55 von dünnen Schichten die Wände der Nuten 5 und, fertigung eignet. Dabei kann gleichzeitig mit dem Be- in dickeren Schichten, auch die Enden des Blechpafestigen des Rotors auf der Welle z. B. bei einem mit kets 2 umhüllt.

einer Wicklung zu versehenden Läufer für einen Als Zahlenbeispiel werden folgende Werte gege-

Elektromotor auch das Blechpaket mit einer Kunst- ben: Bei einem üblichen, 1 kg wiegenden Läufer, der

Stoffschicht umspritzt werden, wie das beispielsweise 60 mit 20 000 U/min bei einer Temperatur von 60° C

zur Nutenisolation zweckmäßig ist, wobei für letzte- laufen soll, dürfte bei Verwendung von gewöhnli-

ren Zweck mit Vorteil ein unbewehrter Kunststoff ehern thermoplastischen Werkstoff wie Polyamid

verwendet werden kann, wie das im folgenden an zum Zusammenbau und zur Isolierung der Zwi-

einem Ausführungsbeispiel gezeigt ist. schenraum 3 nicht größer als 0,3 mm sein, wenn ver-

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der 65 mieden werden soll, daß die kritischen Schwingungen

Erfindung ist dadurch gekannzeichnet, daß das ra- in den Nutzungsbereich fallen. (Dies ist der Fall bei

diale Spiel zwischen dem rotierenden Körper und der jedem beliebigen Durchmesser der Welle, deren

Welle mehr als dreimal so groß ist als der praktische Biegsamkeit im Verhältnis zu den Verformungen des

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bei 3 liegenden Isolierstoffs nur unwesentlich wirk- sondern isoliert auch die Bleche gegen die Welle 1

sam ist). und gegen die in den Nuten 5 liegenden Wicklungen.

Eine derartige Schichtdicke reicht nicht aus, um Da die auf die Innenseite der Nuten 5 aufgebrachten mit Sicherheit eine gute elektrische Isolierung zu er- Kunststofflagen 16 dünn sein müssen und der zum zielen, wenn man die Schwierigkeiten der Einsprit- 5 Zusammenfügen der Bleche dienende Kunststoff zung berücksichtigt, durch die Lücken entstehen umso schwieriger einzuspritzen ist, je höher sein Ankönnen, teil an Zuschlagstoffen mit hohen Elastizitätsmodul

Mit einem ähnlichen Werkstoff auf Polyamid- ist, kann zum Isolieren der Nuten ein wenig oder gar grundlage, der erfindungsgemäß mit kurzen Glasfa- nicht bewehrter üblicher thermoplastischer Werkstoff sern geringen Durchmessers bewehrt ist, und bei Be- io verwendet werden (F i g. 4), der trotz seiner geringemessung des radialen Spiels 3 auf einen Wert, der min- ren Starrheit vorteilhaft zum Zusammenhalt der destens drei-, vorteilhaft sogar zehnmal (3 mm) so Bleche beiträgt. Bei Betrachtung des Läuferquergroß ist wie der oben angegebene Grenzwert, wie es Schnitts in F i g. 2 zeigt sich nämlich, daß trotz der die Erfindung vorsieht, ist das Fehlen jeder nennens- geringen Dicke der Lagen 16 der Gesamtquerschnitt werten Schwingung festzustellen. Außerdem wird die 15 dieser Lagen beträchtlich ist. Der unbewehrte Kunstais schwierig bekannte Einspritzung eines derartigen stoff kann auf das Blechpaket 2 bedeutende Kräfte Isolierstoffs erleichtert. Abwandlungsweise ist die ausüben, wenn er unter Spannung gesetzt wird. Dies Welle in üblicher Weise durch Einpressen montier- Unterspannungsetzen ergibt sich von selbst dadurch, bar, nachdem der Isolierstoff durch Aufspritzen auf- daß der Thermoplast sich nach dem Einspritzen zugebracht ist. 20 sammenzieht, nachdem die Bleche 2 zunächst durch

Vorteilhaft wird der bewehrte Kunststoff symme- das Schließen der Form und dann während des Ein-

trisch zumindest von einem Ende 1 b der Welle ein- spritzens durch den vom eingespritzten Kunststoff

gebracht durch mehrere Formeinlässe, die durch auf die Endflächen des Blechpakets ausgeübten

Formanschlagstücke getrennt sind, die auf einem Druck kräftig gegeneinander gedrückt worden sind

Kreis angeordnet sind und zum Zentrieren eines 25 (F i g· 5).

Lagerzapfens 1 c der Welle dienen. Nach Heraus- F i g. 5 zeigt, wie nur die Nuten 5 mit einem prak-

nahme aus der Form wird der zuvor in den Einlassen tisch unbewehrten Kunststoff beschichtet werden,

enthaltene Werkstoff 4 c entfernt. Der Zusammenbau des so hergestellten Blechpakets

Gegebenenfalls ist es möglich, den Durchmesser und der Welle erfolgt in einem weiteren Arbeitsgang, des innerhalb des Blechpakets 2 liegenden Teils der 3° bei dem ein bewehrter Kunststoff eingespritzt wird, Welle 1 zu verkleinern, auf einen Wert, der kleiner ist dessen Elastizitätsmodul wesentlich höher ist als der als der, der erforderlich wäre, wenn die Welle allein des für die Nuten verwendeten Kunststoffs,
die Biegekräfte aufnehmen müßte. F i g. 3 zeigt sehe- Der beschriebene Läufer stellt nur ein Ausfühmatisch eine solche Abwandlung. Die Welle 1 weist rungsbeispiel der Erfindung dar, die sich z. B. nach einen verjüngten Teil 1 α auf, wobei der Innendurch- 35 F i g. 6 auch auf die Befestigung eines Zahnrades 10 messer der Bleche etwa gleich dem Außendurchmes- auf einer Welle 1 erstreckt, wenn eine elektrische ser der Welle 1 ist und der eingespritzte bewehrte oder sogar — im Bereich der Festigkeit des Kunst-Kunststoff den Teil 1 α vollständig bedeckt. Eine Stoffs — thermische Isolierung der beiden Teile gederartige Ausführungsform ermöglicht eine beacht- wünscht ist.

liehe Verringerung des Außendurchmessers der 40 Da die Schwingungen einer umlaufenden mechani-

Bleche 2 des Läufers und somit auch des Motors sehen Einheit sowohl von ihrer eigenen Unwucht als

selbst. auch von einer abnormen radialen Flexibilität der

In dem in F i g. 4 dargestellten Grenzfall ist die mit ihr zusammenarbeitenden feststehenden Teile

Welle 1 ersetzt durch axiale Teile aus bewehrtem herrühren kann, ist die Erfindung auch auf diese

Kunststoff, die die Bleche 2 zusammenhalten und 45 feststehenden Teile anwendbar,

zwei Wellenenden 6 und 7 bilden, auf denen die An- F i g. 7 zeigt als Beispiel eine Welle 1 mit dazuge-

triebsmittel des durch den Motor anzutreibenden Ge- hörigem Lager, das eine Buchse 11 aufweist, die von

räts sowie zwei Metellbüchsen 8 angebracht sind, einer äußeren Lagerschale 12 gehalten, von dieser

durch die der Läufer in den (nicht dargestellten) La- aber durch eine dicke Schicht 4 aus bewehrtem

gern gelagert ist. 50 Kunststoff isoliert ist, F i g. 8 zeigt ebenfalls ein La-

Die Kunststoffumhüllung an den Enden des zu- ger, das als Axialkopflager ausgebildet ist. F i g- 9

sammengebauten Läufers und in den Nuten 5 spielt schließlich zeigt die Anordnung der Bleche 13 des

eine doppelte Rolle: sie isoliert nicht nur die Induktors eines Elektromotors im Motorgehäuse 14,

Bleche 2 voneinander, verhindert ihr Aufeinander- wobei die Nuten 15 mit einem üblichen Kunststoff

gleiten und bildet aus ihnen einen sehr starren Block, 55 ausgekleidet sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 läßt, ζ. B. durch Schwingungen, die von einer Un- Fatentanspruche: wucht erzeug* werden. Diese Schwingungsneigung,

1. Befestigung und Isolierung eines rotierenden welche durch das erwähnte Schrumpfen des Mate-Körpers, insbesondere des Rotorblechpaketes rials noch verstärkt wird, ist im Betrieb äußerst uneines Motors, auf seiner Welle, durch einen zwi- 5 angenehm und unerwünscht, da sie die Laufruhe sehen dem Körper und der Welle eingespritzten z.B. bei einer elektrischen Maschine stark beeinthermoplastischen Kunststoff, dadurch ge- trächtigt und im Betrieb zu unangenehmen Resonanzkennzeichnet, daß dieser Kunststoff einen erscheinungen führen kann.

Zuschlag enthält, dessen Elastizitätsmodul we- Es ist ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift

sentlich höher als derjenige des Kunststoffes ist. io 1 037 572), zur Herstellung eines Elektromotors mit

2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch ge- Schwingungsdämpfung einen als Schaumstoff ausgekennzeichnet, daß das radiale Spiel zwischen dem bildeten Kunststoff, z. B. einen Polyurethanschaum, rotierenden Körper und der Welle mehr als drei- zwischen das Rotorblechpaket und die Rotorwelle mal so groß ist als der praktische Dicken-Grenz- oder auch zwischen Statorblechpaket und Statorgewert, unterhalb dessen die Einspritzung eines 15 häuse einzubringen. Auf diese Weise ist zwar eine gethermoplastischen Kunststoffs in den durch die- wisse Geräuschdämpfung möglich, doch wird anses Spiel gebildeten Hohlraum unvollkommen dererseits eine solche Konstruktion sehr wenig stabil wäre. und neigt dazu, Unwuchtschwingungen zu verstär-

3. Befestigung nach einem der Ansprüche 1 ken.

oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermo- 20 Bei Elektromotoren für Unterwasserbetrieb ist es

plastische Kunststoff ein Polyamid ist und daß ferner zum Vermeiden von Rissen in der Isolation

der Zuschlag aus kurzen Glasfasern gebildet ist. bekannt (schweizerische Patentschrift 343 016), die

4. Befestigung nach mindestens einem der An- Art und Dicke eines zur Isolation dienenden Gießsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die harzes so auf die Blechdicke abzustimmen, »daß sich gesamte Oberfläche des rotierenden Körpers von 25 das gesamte Blechpaket ungefähr gleich viel· dehnt dem bewehrten thermoplastischen Kunststoff be- wie die Wicklung in den Nuten«. Zu diesem Zweck deckt ist. werden nach der Lehre dieser Druckschrift dem

5. Befestigung nach mindestens einem der An- Kunstharz zwischen den Blechen Füllmittel zugesprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die setzt. Ein Befestigen und Isolieren eines rotierenden Welle aus dem gleichen Kunststoff besteht, wie 3° Körpers auf seiner Welle ist nach dieser Methode dieser zwischen dem rotierenden Körper und der aber nicht möglich; vielmehr wird nach der Lehre Welle eingespritzt ist. dieser Druckschrift das Blechpaket in der herkömmlichen Weise direkt auf der Welle befestigt, da sonst

die gewünschte Rißfreiheit nicht gewährleistet wäre.

35 Das Zusetzen von Quarzmehl oder sonstigen Füll-

Die Erfindung betrifft die Befestigung und Isolie- stoffen zu Äthoxylinharzen ist bekannt aus der

rung eines rotierenden Körpers, insbesondere des »Kunststoff-Rundschau«, Mai 1957, S. 192.

Rotorblechpaketes eines Motors, auf seiner Welle, Ferner kennt man (österreichische Patentschrift

durch einen zwischen dem Körper und der Welle ein- 234 822) ein Verfahren zur Herstellung von Isola-

gespritzten thermoplastischen Kunststoff. 40 tionsteilen für elektrische Maschinen, z. B. von

Zur Herstellung eines Rotors für einen Elektromo- Spannelementen von Wickelköpfen, Nutenverschlußtor ist es bekannt (französische Patentschrift keilen oder Spannelementen zwischen den Lamellen 1 210 349), ein Polyamid, also einen thermoplaste eines Kommutators. Hierbei werden Formstücke aus sehen Werkstoff, in einer Form so einzuspritzen, daß einem gehärteten, vernetzten, hochmolekularen £( dieser Werkstoff eine Art Kunststoffrohr im Inneren 45 Gießharz verwendet, die man über die Erweichungsdes (von der Form gehaltenen und zusammengepreß- temperatur erwärmt, dann elastisch verformt und in ten) Rotorblechpaketes bildet. In dieses Kunststoff- diesem verformten Zustand durch Abkühlen »eingerohr wird dann nach der Fertigbearbeitung des Ro- friert«. Nach dem Einbau, z. B. nach dem Einsetzen tors, also nach dem Wickeln, Sägen des Kollektors der Nutenverschlußkeile in die Nuten, erwärmt man usw., eine Welle eingepreßt. Bei einer anderen be- 50 erneut und setzt dadurch die »eingefrorene« elastikannten Konstruktion (deutsche Auslegeschrift sehe Energie frei, um einen festen Sitz in der Nut zu 1 040 672) werden in dieses Kunststoffrohr beim gewährleisten. — Ein solches Verfahren ist relativ Spritzen zusätzlich parallel zur Rotorachse verlau- aufwendig und erfordert ein sehr genaues Vorbereifende Stäbe eingebracht, welche als Stützpunkte für ten der zu verbindenden Teile, so daß es sich für das Befestigen der Enden der Rotorwicklungen die- 55 Verfahren der Massenfertigung nicht eignet,
nen sollen. Zur isolierten Befestigung eines Rotors auf seiner

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Befe- Welle ist es auch bekannt (schweizerische Patent-

stigungen ist, daß die Welle erst nach dem Spritzen schrift 344 457), den Rotor in eine Form einzusetzen,

eingebracht werden kann, denn es ist bei Verwen- dann die Welle genau in der Form zu zentrieren und

dung eines üblichen thermoplastischen Werkstoffs 60 in den so entstehenden Spalt zwischen Stator und

nicht möglich, durch direktes Einspritzen in den Rotor, dessen Breite dort mit etwa 1 mm angegeben

Raum zwischen zwei koaxialen Teilen einen Kunst- ist, ein Kunstharz einzugießen und aushärten zu las-

stoffkern zu erhalten, der eine enge und vor allem sen.

starre Verbindung zwischen diesen Teilen gewährlei- Als Beispiele für verwendbare Gießharze sind dort

stet. Die Gründe hierfür sind erstens die Schrump- 65 Polyesterharze mit Glasfaserfullung und Phenolharze

fung beim Erkalten eines solchen Kunststoffs nach mit Baumwollfüllung angegeben. Die Füllstoffe die-

dem Spritzen und zweitens die Eigenschaft eines sol- nen dort zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des

chen Kunststoffs, daß er sich relativ leicht verformen verwendeten Verfahrens. — Auch hier gilt, daß ein